INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“SISTEMA DE RADAR DE APROXIMACIÓN PARA EL AICM”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A N :
JUAN ESTEBAN BARRERA DOLORES
JORGE LUIS GARCIA DELGADO
ASESOR:
M. EN C. CARLOS ENRIQUE GARCIA GARCIA
AGRADECIMIENTOS
Con la mayor gratitud por los esfuerzos realizados para que yo lograra terminar mi carrera profesional, siendo para mí la mejor herencia.
A DIOS por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además por haber puesto en mi camino a aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el periodo de estudio. A MI MAMÁ Clara que es el ser más maravilloso del mundo, gracias por el apoyo moral, su cariño y comprensión que desde siempre me ha brindado, por guiar mi camino, por darme la vida, quererme mucho y creer en mí. Gracias madre por todas tus preocupaciones y desvelos que tuviste para conmigo.
A MI PAPÁ Pablo porque ha sido para mí un hombre grande y maravilloso y que siempre he admirado, gracias por guiar mi vida con energía, esto es lo que ha hecho que sea lo que soy. Gracias padre porque día a día eres un gran ejemplo de lucha y perseverancia e impulsaste mi motivación para lograr mis objetivos. A MIS HERMANAS Carmen y Maribel por ser un gran apoyo y brindarme siempre su compañía, por estar en los momentos más difíciles de mi vida. Gracias por que ustedes también han sido parte de mis logros, las quiero muchísimo. A MI NOVIA Diana que llego en el mejor momento de mi vida, por ser de gran apoyo e inspiración en la realización de este trabajo, eres ya parte indispensable de mi vida y lo mejor me has brindado tu amor y confianza en los momentos más difíciles. Gracias por todo lo que hasta hoy me has brindado, por estar a mi lado. A LA ESIME ZACATENCO por ser la mejor institución educativa, mi alma mater. Gracias por brindarme las oportunidades necesarias para convertirme en profesionista.
A MI COMPAÑERO Y GRAN AMIGO Jorge porque has sido de gran apoyo para la realización de este trabajo y sin duda una gran persona de la cual he aprendido y compartido grandes momentos. Gracias amigo por haber logrado lo que queríamos.
A MI PROFESOR Y ASESOR Carlos Enrique por su gran apoyo y comprensión incondicional, por compartir parte de sus conocimientos, por la motivación para la realización de este trabajo. Gracias por ser tan estricto.
AGRADECIMIENTOS
Para realizar esta tesis de la mejor manera posible tuve el apoyo de muchas personas a las cuales quiero agradecer.
En primer lugar a mi mama Sara Delgado Laguna y hermana Elizabeth Saraid García Delgado, quienes han sido de gran apoyo moral y siempre han manteniendo la confianza en mí, además de que me acompañaron en esta aventura y que de forma incondicional, entendieron mis ausencias y mis malos momentos. Gracias por nunca dejarme solo y creer en mí.
Debo agradecer de manera especial y sincera al M.C. Carlos Enrique García Garcia, por aceptarme para realizar esta tesis bajo su dirección por su apoyo y confianza en mi trabajo y su capacidad para guiar mis ideas ha sido un aporte invaluable, no solamente en el desarrollo de esta tesis, sino también en mi desarrollo profesional. Gracias por ser tan estricto.
A mi compañero y amigo Juan Esteban que gracias a su apoyo y conocimientos pudimos concluir esta tesis, además de que siempre hemos permanecido juntos en esta bonita aventura llamada escuela. Gracias.
A mis amigos. Que nos apoyamos mutuamente en nuestra formación profesional y que hasta ahora, seguimos siendo amigos: Israel Verduzco, Alberto Salazar, Samuel Gonzales, Damian Beltran, Rogelio Michaca. Gracias.
~ I ~
OBJETIVO GENERAL
~ II ~
CONTENIDO
OBJETIVO GENERAL<<<<<..<<<<<<<<<<<<<<<<<<<I CONTENIDO <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.II INDICE DE FIGURAS <<.<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.IV INDICE DE TABLAS<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<..VI JUSTIFICACIÓN<<<<<.<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<...VII INTRODUCCIÓN<<<<<<<<<<<<<<<<<.<<<<<<<<<..VIII
CAPITULO 1
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
1.1 Historia del radar<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 1 1.2 Breve historia del AICM<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 9 1.3 Breve historia de UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones)... 13 1.4 Breve historia de la OACI (Organización de Aviación Civil
Internacional)<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<... 14
CAPITULO 2
NORMATIVIDAD APLICABLE Y FUNDAMENTOS BÁSICOS DE RADAR
2.1 Introducción a la normatividad<<<<<<<<<<<<<<<<<... 16 2.2 Navegación Aérea<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 17 2.3 Espectro electromagnético.<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 18 2.4 Fundamentos de radiación y propagación de ondas de radio<<<< 20 2.5 Ondas planas y esféricas<<<<<<<<<<<<<<<<<<<... 22 2.5.1 Frentes de onda<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 22 2.5.2 Frente de onda producido por una fuente puntual<<<<<<<. 23 2.5.3 Frentes de onda esférico<<<<<<<<<<<<<<<<<.... 25 2.5.4 Ley del cuadrado inverso 26 2.6 Propagación terrestre de las OEM<<<<<<<<<<<<<<<.. 26 2.7 Mecanismos y modos de propagación de las ondas de
~ III ~
2.11 Medios de transmisión<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<. 52 2.12 Sistema de radar<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<... 52 2.13 Diagrama a bloques del sistema de
radar<<<<<<<<...
54 2.14 Funciones de un sistema de radar<<<<<<<<<<<<<<<. 57 2.15 Clasificación de los sistemas de radar<<<<<<<<<<<<<... 60 2.16 Tipos de blancos<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 62 2.17 Aplicaciones del radar<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 63 2.18 Normatividad aplicable<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<. 64
CAPITULO 3
Diseño y cálculo del sistema de radar de aproximación para el AICM
.
3.1 Análisis de la forma del pulso<<<<<<<<<<<<<<<<<< 68 3.2 Análisis del haz de antena<<<<<<<<<<<<<<<<<<<. 69 3.2.1 Obtención de diagramas de patrón de radiación especial<<<<. 70 3.3 Análisis del barrido de la antena<<<<<<<<<<<<<<<<< 71 3.4 Sección transversal de radar<<<<<<<<<<<<<<<<<<. 72 3.5 Ecuación del radar<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<... 74 3.6 Relación señal a ruido<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<. 77 3.7 Probabilidad de falsa alarma<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 79 3.8 Cálculos para el diseño del equipamiento del radar de aproximación .. 81 3.9 Equipo a proponer<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 85 3.10 Compresión de pulso<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 87 3.11 Diversidad de frecuencia<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 3.12 Costos aproximados del equipo<<<<<<<<<<<<<<<<..
88 89
Conclusiones<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<.. 90
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INDICE DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1.1.- Marconi con su sistema de radio. Figura 1.2.- Antena de Marconi.
Figura 1.3.- Sistema de radar experimental. Figura 1.4.- Antena de Radar “Freya”. Figura 1.5.- Antena de radar Wurzburg.
Figura 1.6.- Antena de radar de reflector parabólico.
Figura 1.7.- Puerto Aéreo Central de la Ciudad de México en 1943. Figura 1.8.- Torre de Control en los alrededores del AICM.
Figura 1.9.- Sistema de radar colocado en el Cerro de “El Peñón”. Figura 1.10.- Vista Aérea del AICM.
Figura 1.11.- Primer Convenio Telegráfico Internacional firmado en 1865. Figura 1.12.- Bandera representativa de la OACI.
Capítulo 2
Figura 2.1.- Espectro electromagnético.
Figura 2.2.- Frente de onda producido por una fuente.
Figura 2.3.- Frente de onda producido por una fuente puntual. Figura 2.4.- Modos normales de propagación de ondas. Figura 2.5.- Propagación de ondas espaciales.
Figura 2.6.- Propagación sobre la superficie terrestre. Figura 2.7.- Reflexión de la atmosfera.
Figura 2.8.- Reflexión sobre la superficie terrestre. Figura 2.9.- Refracción de la onda.
Figura 2.10.- Difracción de las ondas.
Figura 2.11.- Absorción específica del oxígeno y el vapor de agua.
Figura 2.12.- Gráfica de atenuación por lluvia a 10, 30 y 100 GHz en función de la intensidad de lluvia.
Figura 2.13.- Gráfica de atenuación específica de intensidad de lluvia a diferentes intensidades en función de la frecuencia.
Figura 2.14.- Sistema de coordenadas esférico. Figura 2.15.- Diagrama de radiación.
Figura 2.16.- Polarización vertical y horizontal. Figura 2.17.- Forma del pulso de la señal de radar.
Figura 2.18.-Trenes de pulsos para dos ciclos de trabajo y sus respectivos espectros.
Figura 2.19.- Forma básica de radar.
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Figura 2.22.- Determinación de dirección (Rumbo). Figura 2.23.- Sistema de radar primario y secundario
Figura 2.24.- Figura mostrada en el Adjunto C, aparece un diagrama que indica la cobertura vertical del SRE.
Capítulo 3
Figura 3.1.- Forma del pulso de la señal de radar. Figura 3.2.- Señal en el tiempo y en la frecuencia.
Figura 3.3.- Forma del patrón de radiación en forma de cosecante cuadrado y punta de lápiz.
Figura 3.4.- Forma del patrón de radiación cosecante al cuadrado. Figura 3.5.- Diagrama de señal para un barrido circular.
Figura 3.6.- Probabilidad de detección como función de relación señal/ruido. Figura 3.7.- Radar RL-2000/GCI.
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1.- Datos relevantes del AICM.
Tabla 2.1.- Bandas de frecuencia de radar designadas por estándar IEEE. Tabla 2.2.- Coeficientes de atenuación específicos (CCIR 1986).
Tabla 2.3.- Tipos de modulación.
Tabla 2.4.- Normas y Recomendaciones del Anexo 10 DE LA OACI. Tabla 3.1.-Tabla de posibles
pérdidas
.Tabla 3.2.- Especificaciones básicas del RL-2000/GCI.
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JUSTIFICACIÓN
En el presente trabajo se muestran los requerimientos planteados por la Organización Internacional de Aeronáutica Civil de la cual forma parte México y de acuerdo a los tratados y convenios internacionales, así como la legislación en la materia estando obligados a dar cumplimiento a los mismos.
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INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la aviación ha propiciado la instalación de infraestructura para la navegación aérea, indispensable para conducir a las aeronaves eficientemente a su punto de destino, esto a través de sistemas de radar y radioayudas.
Las especificaciones técnicas bajo las cuales se desarrollan dichos sistemas se encuentran establecidas por organismos internacionales reguladores como la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) y la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones).
En el campo de las Telecomunicaciones y ayudas a la Navegación aérea empleadas para el Control del Tránsito Aéreo, el radar es reconocido como la radioayuda por excelencia, algo así como la reina de las radioayudas considerándose en algunos casos tan esencial como la propia radio.
Su importancia radica en que sin el radar no se podría manejar la densidad de tráfico aéreo que conocemos en nuestros días. Ningún otro sistema, a excepción de la propia radio, ha contribuido tanto al desarrollo de la aviación.
Uno de estos sistemas se llama radar que se basa en la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas. Es de mencionar que en este trabajo mostraremos los elementos básicos y fundamentales que conlleven a desarrollar una amplia visión de la importancia del radar en la navegación aérea.
En el capítulo 1, se hablara la historia del radar desde sus inicios y además las más importantes contribuciones de científicos e ingenieros que fueron desarrollando de forma paralela, además se relatara una breve historia del Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México, así como también las organizaciones en donde México se comprometió a cumplir normas.
Enseguida, en el capítulo 2 se trata de los fundamentos básicos del radar, en el diagrama a bloques se explicara brevemente cada uno de los elementos que se conforma el radar; así como los diferentes tipos de radar y blancos que existen. Se detallara la normatividad que el Anexo 10 de la OACI recomienda para los sistemas de radar de aproximación.
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CAPITULO
1
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
1.1 Historia del radar
Los trabajos e investigaciones realizados a lo largo de la historia referente a los sistemas de radar, han sido la culminación de muchas ideas y desarrollos del hombre.
Las raíces del radar van más allá y se remontan hasta el mismo origen de la radio, puesto que el radar no es otra cosa más que la radio, pero usada para otra aplicación diferente que transmitir y recibir voces. La idea de la radiodetección se conoció desde los primeros días de la radio pero todo el esfuerzo y atención se concentro primeramente en perfeccionar la radiodifusión y recepción. No fue sino hasta los inicios de la Segunda Guerra Mundial que se puso atención en el problema de la radiodetección. Fue entonces que se unieron los esfuerzos para trabajar conjuntamente en un sistema que permitiera la detección y alcance de aeronaves enemigas, como un método defensivo y útil.
La palabra Radar surge del acrónimo Radio Detection and Ranging “RADAR” que en español significa Detección y Alcance por medio de ondas de radio.
Las primeras raíces del radar están asociadas con el trabajo teórico del físico escocés James Clerk Maxwell que en 1873 formuló la teoría de las ondas electromagnéticas, que son la base de la radiocomunicación. El concepto básico de radar fue demostrado por primera vez en los experimentos clásicos realizados por el alemán Heinrich Hertz, en el año de 1886 probó experimentalmente que las ondas electromagnéticas pueden viajar a través del aire libre y del vacío como había sido predicho por Maxwell y demostró que dichas ondas podrían ser reflejadas por objetos sólidos (metálicos) y refractadas por un prisma dieléctrico. Para ello construyó un oscilador (emisor) y un resonador (receptor), con los cuales transmitió ondas electromagnéticas, poniendo en marcha la telegrafía sin hilos. Desde entonces se conocen como ondas hertzianas a las ondas electromagnéticas producidas por la oscilación de la electricidad en un conductor. Mediante la detección de la presencia de una onda reflejada, el radar puede determinar la existencia de un objeto.
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comparado con el resonador de Hertz, el cual permitía comprobar la presencia de ondas transmitidas.
En 1894 Nikolas Tesla hizo su primera demostración en público de una transmisión de radio, logrando transmitir energía electromagnética sin cables, construyendo el primer radiotransmisor, Tesla fue considerado años después como el auténtico y legalmente inventor de la radio.
En 1895 el italiano Guillermo Marconi construyó un sistema de radio, el cual estaba compuesto de un aparato de Hertz, la antena de Popov y el cohesor de Brandly, como se puede ver en la figura 1.1.
Figura 1.1.- Marconi con su sistema de radio
El descubrimiento de la radio no deja de estar envuelto en cierta controversia. El físico ruso Popov presentó ese mismo año, ante una audiencia considerable de científicos de la Universidad de San Petersburgo, un receptor de ondas de radio muy similar al de Marconi, que él utilizaba para registrar las tormentas eléctricas, era el mejor sistema para radiar (enviar) y captar las ondas: “la antena”, constituida por un hilo metálico, extendido en sentido vertical, para que, al elevarse en la atmósfera, pudiese captar mejor las oscilaciones eléctricas.
De este modo nació la primera antena, llamada así porque, para sostener el hilo metálico ideado por Popov, debía emplearse un soporte de aspecto parecido a los mástiles o antenas de los buques.
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fuste que la transmisión de señales de radio no podría superar los 300 km de distancia debido a la curvatura de la tierra. Experimentos posteriores de Marconi mostraron que el alcance de la transmisión era mayor durante la noche que durante el día, lo que venía a demostrar que las ondas de radio se reflejaban en las capas altas de la atmósfera
Figura 1.2.- Antena de Marconi
Durante el Siglo XX, muchos inventores, científicos e ingenieros contribuyeron en el desarrollo del radar, impulsados sobre todo por el ambiente prebélico que precedió a la Segunda Guerra Mundial. Los grandes países que participaron en ella fueron desarrollando de forma paralela distintos sistemas de radar, aportando grandes avances, cada uno de ellos para llegar a lo que hoy conocemos sobre los sistemas de radar.
El trabajo de Hertz para la detección y localización de objetos reflejados fue adelantado por otro alemán, Christian Hülsmeyer. A principios de 1900 armó un instrumento que hoy en día podría conocerse como un radar monoestático1, dicho instrumento fue llamado “Telemobiloscopio”, este aparato permitía medir el tiempo que las ondas electromagnéticas se tardaban en ir y regresar al golpear contra un objeto de metal (barcos) y de esta forma era posible calcular la distancia. Esta es la primera prueba práctica de un radar y es considerado por algunos autores como el primer radar. Era de corto alcance 1 milla (1609 m).
1
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En el año de 1920 se empezaba a trabajar en el desarrollo de un aparato que permitiera la amplificación de la potencia suministrada, fue mediante la válvula termoiónica2 lo que revolucionó tanto los radiorreceptores como los radiotransmisores. En 1921 el físico americano Albert Wallace Hull inventa el magnetrón, un eficaz tubo de transmisión de microondas y que años más tarde dicho invento fue retomado por dos físicos ingleses que lograron una mayor eficiencia.
En 1922 Marconi observó la radiodetección de objetos en sus experimentos y fuertemente discutió el uso de ellos ante el Instituto de Radio Ingenieros (ahora IEEE3), asumió que podía demostrar que era posible detectar objetos alejados con ayuda de las ondas de radio. Aparentemente sin darse cuenta, en ese mismo año A. Hoyt Taylor y Leo C. Young de los Laboratorios de Investigación Naval Estadounidense en Washington, accidentalmente observaron, que había una señal fluctuante en su receptor cuando un barco pasó entre el receptor y transmisor situados en lados opuestos de un río. Esto fue llamado Sistema de Interferencia de Onda Continua, pero hoy es conocido como Radar Biestático4 de onda continua.
En 1925, los físicos norteamericanos Breit y Tuve, lograron medir la altura de la ionósfera terrestre mediante ondas electromagnéticas, utilizando un transmisor de pulsos y considerando el tiempo de vuelo entre dos puntos de radio incidente y reflejado. En sus trabajos realizados habían observado, en diversas experiencias, que los aviones volando próximos a sus receptores o transmisores creaban notables perturbaciones en la propagación de campo, pero en aquél tiempo no le dio importancia, considerándose simplemente como interferencia.
A partir de estas investigaciones se diseñó a principios de 1930 el primer radar de pulsos, obteniéndose los primeros pulsos reflejados por aviones en diciembre de 1934. El radar trabajaba a 200 MHz con una anchura de pulso de 10µs.
Este radar utilizaba una única antena en emisión y recepción pues incluía el primer duplexor5, una novedad tecnológica que supuso una gran diferencia entre países durante varios años.
En 1934 las investigaciones empezaron en Rusia, lográndose tener éxito con la detección de aviones a una distancia de hasta 70 Kilómetros, los primitivos radares de onda continua ya habían sido probados en Alemania, Italia, Rusia y
2 Válvula de vacío utilizada para amplificar antes del uso del transistor y actualmente se utiliza para algunas aplicaciones específicas. 3 IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) por sus siglas en inglés.
4 Biestático significa que la antena transmisora y receptora están separadas cierta distancia.
5Duplexor es un dispositivo que permite acoplar, en la emisión, al transmisor con la antena, en la recepción, acopla al receptor con la
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otros países. El radar evolucionó con independencia y de forma simultánea en varios países durante los años previos a la Segunda Guerra Mundial. Los mayores logros fueron conseguidos por Estados Unidos e Inglaterra y años más tarde por Alemania.
Por otra parte, fue creado el primer radar de tipo experimental sugerido por el físico escocés Robert Watson Watt para la detección de aeronaves a 40 millas (64 km). Fue desarrollado principalmente en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial, lo que lo llevo a tener una notable ventaja táctica para la Real Fuerza Aérea en la Batalla de Inglaterra, cuando aún era denominado RDF6.
En 1932 la Oficina Postal Británica publicó un informe en el que sus científicos documentaron fenómenos naturales que afectaban la intensidad de la señal electromagnética recibida: tormentas eléctricas, vientos, lluvia y el paso de una aeronave en la cercanía del laboratorio. Wilkins conoció este informe de manera accidental, conversando con la gente de la Oficina Postal, que se quejaba por la interferencia. Cuando Wilkins sugirió la posibilidad de utilizar el fenómeno de interferencia de ondas de radio para detectar aviones enemigos, Watson Watt lo comisionó inmediatamente para trabajar en el cálculo.
En los momentos anteriores a la Segunda Guerra Mundial, Robert Watson Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y su ayudante, el físico Arnold Wilkins, estuvieron a cargo de la invención de un “rayo de la muerte” que sería utilizado en esa guerra. La idea de Watson Watt era elevar la temperatura del piloto atacante a 41° C aproximadamente, para que al provocarle fiebre, quedara incapacitado.
Como lo escribió el propio Wilkins: “Mi cálculo mostró que, como era de esperarse, se necesitaba generar una potencia enorme a cualquier frecuencia de radio para producir fiebre en el cuerpo de un piloto de avión, aun en el improbable caso de que su cuerpo no estuviera protegido por el metal del fuselaje7. Como nada cercano a dicha potencia se podía producir, era claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio. Le dije esto a Watson Watt al darle mi cálculo y me respondió: Bien, si un rayo de la muerte no es posible, ¿Cómo podemos entonces ayudarles? Yo contesté que los ingenieros de la Oficina de Correos Británica se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores y que este fenómeno podría ser útil para detectar aviones enemigos” 8 . Esta
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Radio Directional Flying (Localización Direccional por Radio).
7 Estructura principal de un avión, cuya función primordial es la de dar cabida a la tripulación, a los pasajeros y a la carga, además de
servir de soporte principal al resto de los componentes.
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observación, hecha en enero de 1935, dio lugar a una serie de hechos que culminaron con la invención del radar, figura 1.3.
Al terminar Wilkins sus cálculos, le pareció increíble que el efecto deseado pudiera detectarse; revisó sus cálculos, no encontró ningún error y se los dio a Watson Watt, quien los vio fantásticos y verificó los cálculos matemáticos. El hecho de que un rayo de la muerte no fuera factible no sorprendió, sin embargo, atrajo la idea de poder detectar un avión.
Figura 1.3.- Sistema de radar experimental
En 1936 se realizo una importante contribución al radar hecha por los técnicos George F. Metcalf y William C. Hahn, ambos de la General Electric, el llamado “Klystron”9 un componente importante en los elementos de equipo de radar usado como tubo amplificador de potencia o como oscilador.
En 1938 los alemanes consiguieron por primera vez la localización de barcos, lo que dio lugar a la construcción en fabricación del primer radar alemán llamado “Freya”, el cual operaba a 125 MHz, una longitud de onda de 2.4 m y la potencia pico del pulso era de 20 kW. En la Figura 1.4 podemos ver la antena de radar Freya de aquellos años.
9 Es un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe a la entrada ondas electromagnéticas de alta frecuencia
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Figura 1.4.- Antena de Radar “Freya”
Los alemanes al haber concentrado sus esfuerzos en los radares de aviación, sobre el tipo de interceptación, dedujeron que para detectar la posición de un avión es preciso conocer su elevación10, además de su distancia y demora11, para lo cual a su vez, es necesario hacer uso de antenas muy directivas.
La generación y recepción de frecuencias muy elevadas era en aquellos años, un problema. Por esta razón los técnicos alemanes emprendieron la tarea de desarrollar válvulas de radar para longitudes de onda del orden de los 50 cm y una frecuencia de operación de 600 MHz, llegando a conseguir un tríodo de potencia que, trabajando en dicho margen producía una potencia de impulso de 10 kW.
Estas válvulas sirvieron de base para la construcción, en 1940, del radar “Wurzburg”, que se utilizó para la dirección del tiro antiaéreo. En la figura 1.5 es mostrada la antena de radar.
10 Elevación es la distancia vertical entre un punto o un nivel de la superficie de la tierra, o unido a ella, y el nivel medio del mar. 11
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Figura 1.5.- Antena de radar Wurzburg
En 1940 dos físicos ingleses de la Universidad de Birmingham, Boot y Randall, emprendieron la tarea de desarrollar una válvula que fuese un gran generador de microondas, partiendo del magnetrón de ánodo partido, inventado por el americano Albert W. Hull en 1921, lo que dio lugar al llamado magnetrón de cavidades12, la válvula más importante en la historia del radar a la que alguien llegó a designar como “la válvula que ganó la guerra”. El magnetrón de cavidades permitió la generación de ondas con una longitud de 3 cm dando lugar al desarrollo del radar de microondas, que fue lo que marcó la superioridad en el dominio de la guerra por parte de americanos e ingleses.
La radiodetección no se ha conocido siempre como radar, se llamó de diferentes maneras, hasta que el término RADAR se acuño en Estados Unidos. En Inglaterra se le llamo RDF (Localización Direccional por Radio) y antes se le llamo RPF (Localización por Posición por Radio) por sus siglas en inglés. Fue entonces que a mediados de siglo se avanzaba en el tipo de antenas que se tenían, para lograr una mayor eficiencia, llegando a crearse las antenas de reflector parabólico, figura 1.6.
12 Magnetrón es un dispositivo de alta potencia el cual transforma la energía eléctrica en energía electromagnética en forma de
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Figura 1.6.- Antena de radar de reflector parabólico.
1.2 Breve historia del AICM (AEREOPUERTO INTERNACIONAL
DE LA CIUDAD DE MÉXICO).
El primer acontecimiento importante que tuvo por escenario la Ciudad de México, fue el 30 de noviembre de 1911, fecha en que el presidente constitucional de los Estados Unidos Mexicanos, Don Francisco I. Madero, voló 11 minutos sobre los llanos de Balbuena en un Deperdussin que piloteó Geo M. Dyott. De esta forma Madero se convirtió en el primer jefe de Estado del mundo en volar en un avión.
El 6 de Julio de 1917 se llevó a cabo el primer vuelo de transporte de correo aéreo en México, viaje que realizó Horacio Ruiz en un biplano Serie “A” transportando valijas de correo entre Pachuca y la Ciudad de México. El aterrizaje se hizo en Balbuena.
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inició la construcción de la pista 05D-23I13, la nueva plataforma, el nuevo edificio terminal, su torre de control y el edificio para autoridades de la terminal aérea. La pista entró en servicio en 1951.
Figura 1.7.- Puerto Aéreo Central de la Ciudad de México en 1943
El 2 de diciembre de 1963, el entonces Aeropuerto Central adoptó el nombre de Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México (AICM), al año siguiente, el 6 de octubre, el Presidente Adolfo López Mateos inauguró los sistemas de radar de Cerro Gordo, así como el ILS14 del propio aeropuerto, mismos que tardaron algunos años en entrar en servicio permanente y en ser certificados.
Fue el 10 de junio de 1965 cuando el Gobierno Federal creó la entidad “Aeropuertos y Servicios Auxiliares” (ASA) para administrar, operar y conservar los aeródromos civiles del país, a través de una red aeroportuaria de la que formó parte el AICM hasta 1998.
El 24 de noviembre de 1978, se inauguró la torre de control “México”, que a la fecha sigue en operación, figura 1.8.
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05D-23I es el número designado a la pista 05 Derecha – 23 Izquierda, está asignación se da de acuerdo a los grados de su orientación magnética (referente al Polo magnético), apuntando 50° Este y 230° Oeste, redondeado a los 10 grados más cercanos y quitándole el cero.
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Figura 1.8.- Torre de Control en los alrededores del AICM
El 28 de noviembre de 1994 el titular de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), acompañado de los directores de ASA y SENEAM, inauguró el nuevo sistema de radar que da servicio al AICM. Está colocado en el cerro de "El Peñón", el cual permite un control de alta confiabilidad, figura 1.9.
Figura 1.9.- Sistema de radar colocado en el Cerro de “El Peñón”.
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El AICM cuenta con dos pistas en operación, la 05 izquierda, 23 derecha (05L-23R por sus siglas en inglés) de 3, 846 metros de longitud por 45 de anchura y la 05 derecha, 23 izquierda (05R-23L) de 3, 900 por 45 m., figura 1.10.
Figura 1.10.- Vista Aérea del AICM
Algunos datos relevantes del AICM son mostrados en la siguiente tabla: Datos del AICM
Nombre Oficial Aeropuerto Internacional Benito Juárez.
Ubicación Ciudad de México
Categoría 9 (la más alta a escala internacional OACI).
Clasificación Metropolitano.
Servicio Internacional.
Superficie 746.43 Ha.
Elevación 2,223 MSNM/7341Ft.
Latitud 19º 26´07´´ N.
Longitud 99º 04´20´´ W.
Temperatura promedio
25º C
Fecha de inauguración
19 de noviembre de 1952.
Dirección Capitán Carlos León S/N, Col. Peñón de los Baños, C.P. 15620, Delegación Venustiano Carranza, México, Distrito Federal.
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1.3 Breve
Historia
de
UIT
(Unión
Internacional
de
Telecomunicaciones)
Cada país utilizaba un sistema diferente de codificación, técnica y equipamiento por lo cual los mensajes debían transcribirse, traducirse y enviarse a las fronteras antes de ser transmitidos por la red telegráfica del país vecino.
Dada la lentitud y las dificultades operativas de este sistema, muchos países decidieron establecer acuerdos que facilitaran la interconexión de sus redes nacionales. Sin embargo, dado que el proceso de negociación se llevaba a cabo a nivel nacional, cada enlace exigía numerosos acuerdos. Para simplificar las cosas, los países comenzaron a establecer acuerdos bilaterales o regionales, de manera que en 1864 había ya varios convenios regionales en vigor.
El 17 de mayo de 1865, tras dos meses y medio de arduas negociaciones, 20 estados miembros fundadores firmaban en París el primer Convenio Telegráfico Internacional y creaban la Unión Telegráfica Internacional, figura 1.11.
Figura 1.11.- Primer Convenio Telegráfico Internacional firmado en 1865
Al inventarse en 1896 la telegrafía sin hilos esto es, el primer tipo de radiocomunicación y comenzarse a utilizar esta nueva técnica para las comunicaciones marítimas y otros fines, se decidió convocar en 1903 una conferencia de radiocomunicaciones preliminar para estudiar la reglamentación internacional de las comunicaciones radiotelegráficas.
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conferencias telegráficas de radiocomunicaciones, constituyen en la actualidad el Reglamento de Radiocomunicaciones.
En la Conferencia Radiotelegráfica Internacional de 1927 se atribuyeron bandas de frecuencias a los diferentes servicios de radiocomunicación que existían por entonces (fijo, móvil marítimo y aeronáutico, radiodifusión, aficionados y experimental) para hacer más eficaz su explotación.
En la Conferencia de Madrid de 1932, la Unión decidió compendiar el Convenio Telegráfico Internacional de 1865 y el Convenio Internacional de Radiotelegrafía de 1906 en el Convenio Internacional de Telecomunicaciones. También decidió modificar su nombre y pasó a denominarse Unión Internacional de Telecomunicaciones.
En 1947, después de la Segunda Guerra Mundial, la UIT celebró una conferencia en la ciudad de Atlanta con el fin de ampliar y modernizar la organización. La sede se trasladó en 1948 de Berna a Ginebra. Al mismo tiempo se creaba la Junta Internacional de Registro de Frecuencias con el mandato de coordinar la tarea, cada vez más complicada, de gestionar el espectro de frecuencias, y el Cuadro de atribución de frecuencias, introducido en 1912, adquiría carácter obligatorio ese mismo año.
El 15 de noviembre de 1947, la Asamblea General de las Naciones Unidas aprobó un acuerdo entre esta organización recién creada y la UIT. El acuerdo, por el que se reconocía a la Unión Internacional de Telecomunicaciones como organismo especializado de las Naciones Unidas, entró oficialmente en vigor el 1 de enero de 1949. En 1956, el Comité Consultivo Internacional de Telefonía y el Comité Consultivo Internacional de Telegrafía se fusionaron para dar lugar al Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (CCITT).
En el año de 1992 la UIT tuvo una reestructuración, la Unión se organizó en tres Sectores, que correspondían a sus tres ámbitos principales de actividad: la Normalización de las Telecomunicaciones T), las Radiocomunicaciones (UIT-R) y el Desarrollo de las Telecomunicaciones (UIT-D). La nueva estructura integraba también un ciclo periódico de conferencias que permitiría a la Unión reaccionar rápidamente ante los nuevos avances tecnológicos.
1.4 Breve Historia de la OACI (Organización de Aviación Civil
Internacional).
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comercial de las rutas aéreas aprovechando el notable progreso alcanzado en lo relativo a las técnicas de vuelo y a la fabricación de aeronaves cada vez más perfeccionadas, planteándose así la necesidad de reglamentar el creciente tránsito aéreo, insuficientemente regulado por la Convención de París de 1919.
En noviembre de 1944, 54 estados atendieron a la invitación hecha por el gobierno estadounidense, para participar en la Conferencia Internacional de Aviación Civil en Chicago. El trabajo celebrado en la misma, y ratificado por 52 estados con la firma del Convenio Internacional de la Aviación Civil, supuso la base técnica sobre la que desarrollar las primeras normas y regulaciones que garantizaban la seguridad de la aviación civil internacional.
El Acuerdo Interino creó la Organización Provisional de Aviación Civil Internacional (OPACI) a cargo de dos principales órganos (la Asamblea Interina y el consejo Interino). En la figura 1.12 es mostrada la bandera representativa de la OACI.
Figura 1.12.- Bandera representativa de la OACI
En mayo de 1946 se realizó en Montreal la primera Asamblea Interina que eligió a dicha ciudad como sede definitiva de la Organización Permanente y convocó a la primera Asamblea de la OACI en mayo de 1947. La Convención de Aviación Civil Internacional conocida como el Convenio de Chicago de 1944 es la Carta de la Aviación Civil mundial y el Acta de nacimiento de la OACI.
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CAPITULO
2
NORMATIVIDAD APLICABLE Y FUNDAMENTOS BÁSICOS DE
RADAR.
2.1 Introducción a la Normatividad
En la implantación de un sistema de radar de aproximación para el AICM se debe y requiere cumplir ciertas especificaciones descritas en las normas y métodos recomendados relativos a las telecomunicaciones aeronáuticas adoptadas inicialmente por el Consejo de OACI en conformidad con lo dispuesto en el artículo 37 del Convenio sobre Aviación Civil Internacional y designado en el Anexo 10 de la UIT al convenio firmado por México como Estado contratante.
Todas las referencias al Reglamento de Radiocomunicaciones se refieren al Reglamento de Radiocomunicaciones publicado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R). Cabe señalar que de acuerdo a las medidas que deben tomar los Estados contratantes impuestas por el artículo 38 del convenio, se debe notificar, de carácter obligatorio, las diferencias o eliminación de sus reglamentos y métodos nacionales, que tuvieran importancia para la seguridad y regularidad de la navegación aérea internacional, y las normas internacionales contenidas en el Anexo 10 y en las enmiendas del mismo, así como los métodos recomendados contenidos de dicho anexo.
Es por ello que acorde a lo que se va a desarrollar en este trabajo y a lo descrito anteriormente se tienen que cumplir ciertas normas que ayudaran a brindar un mejor servicio en cuanto a seguridad y regularidad de la navegación aérea internacional.
Para cumplir y llevar a cabo cada una de las normas y métodos recomendados que se plantean al final de este capítulo es indispensable un estudio detallado de cada uno de los elementos que conforman e influyen en el desempeño del sistema de radar de aproximación con el único fin de garantizar y hacer cumplir lo dispuesto en el Anexo 10 de UIT y así poder brindar la seguridad y máxima eficiencia del sistema.
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2.2 Navegación Aérea
La industria aeronáutica ha sido un factor fundamental para el desarrollo de las actividades productivas y comerciales de cualquier país. Debido a ello se diseñan Sistemas de Comunicaciones, Radar y Radioayudas que permiten que la navegación sea segura y eficiente las 24 horas del día y todos los días del año.
La navegación aérea por su parte, es el conjunto de técnicas y procedimientos que permiten conducir eficientemente una aeronave a su lugar de destino, asegurando la integridad tanto de sus tripulantes y pasajeros como de las personas que se encuentran en tierra.
Fue durante la década de los 50’s que ingenieros de Gran Bretaña diseñaron el primer avión comercial de gran capacidad y en los años 60´s el tránsito aéreo comercial se incrementó considerablemente, es por ello que actualmente es la forma más segura y rápida de viajar gracias a todas las infraestructuras con las que la aviación cuenta, desde el diseño de las aeronaves con la más alta tecnología y calidad, además de las ayudas a la navegación con las que cuentan los pilotos en el despegue, vuelo y aterrizaje, hasta los modernos aeropuertos, etc.
Existen tres peligros principales a los que una aeronave se puede enfrentar desde que despega hasta que aterriza en un aeródromo15 o aeropuerto. El primero son las condiciones meteorológicas adversas, como neblina, nieve, fuertes vientos o cenizas volcánicas, debido a que son un factor importante que disminuye la visibilidad de los pilotos, pudiendo está ser nula. El segundo se refiere a la posible colisión de la aeronave con obstáculos como montañas o grandes edificios. Y el tercero es qué ruta u orientación debe seguir la aeronave para llegar a su destino y así tener un aterrizaje seguro y oportuno.
México como Estado signatario del Convenio de Chicago, es responsable del espacio aéreo sobre el territorio nacional, tanto en vuelo como en la aproximación y aterrizaje de las aeronaves en los aeropuertos que haya que hacerlo en donde el convenio obliga a prestar los servicios a la navegación aérea. Esta responsabilidad dentro del Poder Ejecutivo Federal está a cargo de la SCT
15 Aeródromo es un campo listo para despegar y aterrizar aeronaves, no brinda servicios de carácter comercial, como vuelos de
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(Secretaría de Comunicaciones y Transportes) en la cual la DGAC (Dirección General de Aeronáutica Civil) y SENEAM (Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano) proporcionan los servicios a la navegación aérea en esta porción del espacio.
SENEAM tiene entonces como objetivo garantizar el transporte seguro y eficiente de personas y bienes en el espacio aéreo mexicano, mediante la prestación eficiente de los servicios de tránsito aéreo, de meteorología aeronáutica, de telecomunicaciones aeronáuticas, de radioayudas a la navegación y despacho e información de vuelo16.
El espacio aéreo puede ser controlado, no controlado, o de uso especial, de acuerdo al propósito de las operaciones de las aeronaves y al nivel de seguridad requerido. Existe una clasificación del espacio aéreo dada por la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) en siete clases establecidas por las letras A a la G. Donde la letra A se usa para definir un nivel alto de control, mientras que la G indica que es un espacio no controlado.
2.3 Espectro Electromagnético
Se denomina espectro electromagnético a la clasificación de la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Podemos decir que es un campo físico intangible que se encuentra en el espacio y a través del cual se transmiten las ondas de comunicaciones, radio y televisión.
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda como son las ondas de radiofrecuencia. En la figura 2.1 se ilustra el espectro electromagnético, mostrando la frecuencia a la que operan y algunas aplicaciones.
16 Información de tránsito, meteorológica, y operacional recibida por el piloto, la cual puede afectar la seguridad de la aeronave y de las
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Figura 2.1.- Espectro electromagnético
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre 3 MHz y 300 GHz. La radiofrecuencia se ha dividido internacionalmente en las siguientes bandas y son denominadas bandas de frecuencias. En la tabla 1 se muestra la designación de las bandas de radar y su gama de frecuencia.
Designación de banda
Gama de Frecuencia
Nominal HF 3-30 MHz
VHF 30-300 MHz
UHF 300-1000 MHz
L 1-2 GHz
S 2-4 GHz
C 4-8 GHz
X 8-12 GHz
Ku 12-18 GHz
K 18-27 GHz
Ka 27-40 GHz
V 40-75 GHz
W 75-100 GHz
mm 110-300 GHz
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Así cada una de las bandas del espectro electromagnético provee un servicio diferente, lo que nos permite hablar por un teléfono celular, escuchar la radio, ver la televisión, detectar un avión, etc., sin interferirse un servicio con el otro.
Los sistemas de radar de aproximación operan en la banda de frecuencia de UHF específicamente en la sub banda S. En esta banda de frecuencia de 2 a 4 GHz la atenuación atmosférica es ligeramente superior que en la Banda L. Los equipos de radar en esta banda necesitan una potencia de transmisión mayor a la usada en los intervalos más bajos de frecuencia para lograr un alcance máximo óptimo. Como podemos ver los sistemas de radar trabajan en una amplia gama de frecuencias de transmisión. Podemos decir que cuanto mayor sea la frecuencia de un sistema de radar, tanto más se ve afectada por condiciones meteorológicas como la lluvia o las nubes. Pero entre mayor es la frecuencia de transmisión, mejor es la precisión del sistema de radar.
El espectro electromagnético ha sido un recurso muy apreciado y como es limitado, tiene que ser bien administrado y regulado. Los administradores del espectro a nivel mundial son la CMR17 de la UIT-R18. Esta entidad realiza reuniones mundialmente en coordinación con los entes reguladores de cada país para la asignación de nuevas bandas de frecuencia y administración del espectro. En el caso de México, la entidad reguladora del espectro radioeléctrico es la COFETEL19 y la SCT.
2.4 Fundamentos de radiación y propagación de ondas de radio
Los fenómenos de radiación y propagación de ondas electromagnéticas se rigen por las ecuaciones de Maxwell que relacionan campos eléctricos y magnéticos con las fuentes que los generan (corrientes y cargas) y el medio en que se propagan (aire). Las ecuaciones de Maxwell asumen la existencia de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz, las cuales transportan información. Por lo tanto, los fenómenos electromagnéticos se pueden describir a partir de las cuatro ecuaciones de Maxwell.
∇ = + , Ley de Ampere (1)
∇ = − , Ley de Faraday (2)
∇ ∙ = Ley de Gauss campo eléctrico (3)
∇ ∙ = 0 Ley de Gauss campo magnético (4)
17 CMR, Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones.
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Donde es la intensidad de campo eléctrico, es la intensidad de campo magnético, es la densidad de corriente de desplazamiento, es la densidad de corriente de inducción magnética, es la densidad de corriente, ρ es la densidad de carga volumétrica. En el espacio libre el desplazamiento del campo eléctrico y magnético se definen como:
= , (5) = , (6) Definiendo a y como la permitividad eléctrica y permeabilidad magnética en el vacío.
De las ecuaciones anteriores se deduce la ecuación de continuidad la cual es la contribución que realizo Maxwell a la teoría electromagnética y dicha ecuación es definida como:
∇ = − , (7) Un campo electromagnético cuenta con dos componentes, un eléctrico y otro magnético, el campo eléctrico se mide habitualmente en Volts por metro (V/m) y el magnético en Henrios por metro (H/m.)
Otro elemento a considerar es la densidad de potencia media que transportan las ondas electromagnéticas. Para ello es necesario el valor medio del vector de Poynting. El vector de Poynting instantáneo representa la potencia radiada por una antena, el cual está definido por el producto cruz del campo eléctrico y campo magnético,
= (8) Donde es el vector de Poynting instantáneo (W/m2), es la intensidad de campo eléctrico instantáneo (V/m), y es la intensidad de campo magnético instantáneo (A/m).
Por lo tanto el vector de Poynting promedio emitido nos representa la densidad de flujo promedio de potencia radiada.
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2.5 Ondas planas y esféricas
2.5.1 Frentes de onda
Las ondas electromagnéticas no son visibles al ojo humano y se debe de analizar con métodos indirectos mediante esquemas o gráficos. Los conceptos de rayos y frentes de onda son auxiliares para ilustrar los efectos de propagación de las ondas electromagnéticas a través del espacio libre. Un rayo se considera como una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Estos rayos son utilizados para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética pero esto no indica que se refiere a la propagación de una sola onda.
Un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante. El frente de onda es formado cuando se unen los puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente. Como se puede ver en la figura 2.2.
Figura 2.2.- Frente de onda producido por una fuente
Un frente de onda plana representa una superficie que es perpendicular a la dirección de propagación. En cuanto más cerca está el frente de la fuente, el frente de onda se vuelve más complicado.
Definiendo la longitud de onda λ como la distancia recorrida por la onda durante un período T y con frecuencia f= 1/T; esto está dado por:
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λ = $% = &
'= ( &
) (10)
Donde c es la velocidad de la luz (3x108 m/s), T es el periodo de la onda (s), f es la frecuencia (Hz) y ϖ es la frecuencia angular de la portadora (rad/seg).
La intensidad o fuerza, de una onda depende de su campo eléctrico y magnético en cualquier punto de interés. Estos campos disminuyen con la distancia de la fuente, porque la potencia radiada se extiende sobre una mayor superficie esférica. Así entonces, en la práctica en un radar no disminuye la intensidad del campo por un factor 1/R con una distancia R, sino que disminuye en intensidad de energía por un factor 1/R2.
La intensidad de la onda también puede variar con la dirección. Todas las fuentes no irradian con la misma intensidad en todas las direcciones. Una antena de radar típico, por ejemplo, se puede concentrar la mayor parte de su energía en una región relativamente pequeña en el espacio donde la intensidad de la onda es grande en relación a lo que habría ocurrido con la radiación isotrópica20, y en relación aún mayor a su propia radiación en direcciones fuera de la pequeña región.
2.5.2 Frente de onda producido por una fuente puntual
Gran parte de los frentes de onda son por lo general más complicados que los frentes de onda plana, en una fuente puntual, varios rayos son propagados desde ella en todas direcciones. Esta fuente se considera una fuente isotrópica y el frente de onda generado por la fuente puntual se considera una esfera con su respectivo radio y en la cual su centro está en el punto donde se originan las ondas, figura 2.3.
Figura 2.3 Frente de onda esférico (puntual) y plano
20
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En el espacio libre, y a una distancia de la superficie de la fuente, los rayos dentro de una superficie pequeña del frente de onda esférico son casi paralelos a la dirección de propagación, por lo tanto, a mayor distancia de la fuente la propagación, el frente de onda se parece más a un frente de onda plano por lo que en la mayoría de los casos los frentes de onda esféricos se pueden simplificar como frentes de onda planos.
Los Frentes de onda de las fuentes a distancias grandes no son esféricos pero se convierten planos a una distancia conocida como "campo lejano". El "campo lejano" comienza en una distancia RF, donde la dimensión máxima D de la fuente (normal a la dirección del rayo de interés) es muy pequeña comparada con la distancia.
En el radar RF se suele tomar como 2D2/λ. Así, las ondas están en el campo lejano cuando la distancia R satisface:
≥ + = λ, (11)
Una consecuencia importante de la aproximación de las ondas planas es que el campo eléctrico y los vectores del campo magnético son espacialmente ortogonales entre sí y ambos se encuentran en el plano del frente de onda plana. No hay campos eléctricos o magnéticos en la dirección de propagación. Otra consecuencia es que la amplitud de campos eléctricos y magnéticos están relacionados unos con otros, el valor del campo eléctrico es varias ηηηη veces el valor del campo magnético en cualquier instante. En este caso, se le llama "impedancia intrínseca" del medio en el que la onda se propaga, dada por:
η= - µ
ε (.ℎ01) (12)
Donde µµµµes la permeabilidad del medio (H/m) y εεεεes la permitividad del medio (F/m).
En el espacio libre(al vacío) µµµµ=µµµµ0= 4ππππ(10-7) H/m y εεεε=εεεε0 = (10-9) / (36ππππ).
Un principio importante cuando se trata de entender la propagación de ondas electromagnéticas, y por ende de ondas de radio, es el principio de Huygens, el cual en su forma simplificada puede ser formulado como:
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2.5.3 Frente de onda esférico
Para generar una fuente de onda esférico, se necesita un radiador isotrópico que irradie en todas direcciones, en la realidad no existen radiadores isotrópicos pero se puede aproximar el radiador de una antena omnidireccional, el cual es capaz de producir un frente de onda esférico con radio R. Todos los puntos que se encuentran a una distancia R, se encuentran en la superficie de la esfera y cuentan con la misma densidad de potencia. En cualquier otro momento, la potencia irradiada, se encuentra uniformemente distribuida sobre la superficie total de la esfera, figura 2.4.
Figura 2.4.- Geometría de un frente de onda esférico.
La potencia irradiada por la fuente puntual se encuentra distribuida en la superficie total de la esfera donde la potencia total irradiada es:
2 = 3456
7π8, (13)
Donde:
Prad = potencia total irradiada (Watts).
R = Radio de la esfera, que es igual a la distancia de cualquier punto de la superficie de la esfera a la fuente.
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2.5.4 Ley del cuadrado inverso.
La ley del cuadrado inverso nos dice que entre más lejano va el frente de onda de la antena transmisora, la densidad de potencia es más pequeña. En estos casos la potencia total distribuida sobre la esfera queda de la misma cantidad. Por otro lado el área de la esfera aumenta en proporción directa a la distancia a la que se encuentra de la fuente elevada al cuadrado, es decir, el radio de la esfera elevado al cuadrado y esto nos causa una menor densidad de potencia debido a que está disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente.
2.6 Propagación terrestre de las OEM (Ondas Electromagnéticas)
Las ondas terrestres son todas las ondas electromagnéticas que viajan dentro de la atmósfera terrestre. Las radiocomunicaciones terrestres se pueden propagar de distintas formas y estas formas dependen de la clase de sistema y del ambiente, las ondas terrestres tienden a viajar en línea recta, pero tanto la Tierra como la atmósfera pueden alterar su trayectoria.
Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera que corresponden a las ondas sobre la superficie terrestre, ondas espaciales y ondas ionosféricas o celestes, mostradas en la figura 2.5.
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El tipo de propagación espacial corresponde a la energía irradiada que viaja en los kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre. Las ondas espaciales son todas las ondas directas y reflejadas en el suelo como se muestra en la figura 2.6.
Figura 2.6.- Propagación de ondas espaciales
Las ondas directas viajan esencialmente en línea recta de la antena transmisora a la antena receptora. Esta transmisión se le llama transmisión de línea de vista y se encuentra limitada principalmente por la curvatura de la Tierra. La curvatura de la Tierra presenta un horizonte en la propagación de las ondas espaciales, que se suele llamar el horizonte de radio. Este horizonte se encuentra más lejano que el horizonte óptico para la atmósfera estándar común. Como se puede ver en la figura 2.7.
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El modelo de propagación en el espacio libre es usado para predecir la señal recibida directa cuando el transmisor y el receptor tienen línea de vista entre ellos.
Los sistemas de comunicación vía satélite y los enlaces de microondas con línea de vista típicamente son en el espacio libre. Como la mayoría de los modelos de propagación en el espacio libre, el modelo predice que la potencia recibida decrece a medida que la separación entre las antenas receptora y transmisora aumenta.
2.7 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
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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
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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,
9:(; ) = 10 9.= >3?
34@ (14)
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.
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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.
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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.
