ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN
“MANUAL DE MANTENIMIENTO A
ENLACES PUNTO A PUNTO VIA MICROONDAS”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A :
ESTEFANIA BENITEZ RAMIREZ
MÉXICO DF, FEBRERO 2007
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
TESINA
Que para obtener el titulo de: Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
Por la opción de titilación: Seminario de Titulación
Administración de Proyectos
Vigencia:
Deberá desarrollar: Benítez Ramírez Estefania
“ MANUAL DE MANTENIMIENTO A
ENLACES PUNTO A PUNTO VIA MICROONDAS”
CAPITULO I: Antecedentes
CAPITULO II: Marco Teorico de Referencia.
CAPITULO III: Manual de Mantenimiento
CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA GLOSARIO ANEXOS
Índice
Introducción I A. Presentación del proyecto………. I
B. Planteamiento del problema………. III C. Justificación………. III D. Objetivo general……….. IV E. Objetivo especifico………. IV F. Alcance………. IV G. Metas……… IV H. Misión………... IV
Capitulo I
1.0 Antecedentes………. 2
1.1 Telecomunicaciones móviles y la era de la información; una combinación para el futuro……….. 2
1.1.1. Un poco de historia………... 2
1.1.2. Servicios Móviles de telecomunicaciones……… 5
1.2 Sistemas avanzados de Radio Comunicación Digital vía Microondas…… 7
1.2.1 Contribución de los Sistemas de Radio vía Microondas a la integración de redes y servicios………... 7
Capitulo II 2.0 Marco Teórico Referencial………. 9
2.1 Radiación Electromagnética……….. 9
2.1.1 Ondas Electromagnéticas………. 9
2.1.2 Espectro Electromagnético……….. 12
2.1.2.1 Aplicaciones………..……….. 15
2.1.3 Espectro Radioeléctrico……… 17
2.1.3.1 Distribución……….. 19
2.2 Jerarquía Digital………... 21
2.2.1 Jerarquía Digital Plesiosíncrona……….. 21
2.2.2 Jerarquía Digital Síncrona……… 22
2.3 Estructuras para Comunicaciones……… 23
2.3.1 Tipos de estructuras……… 24
2.4 Antenas para Microondas……….. 31
2.4.1 Antenas Reflectoras Típicas……… 31
2.4.2 Propagación……… 33
2.4.2.1 Características de Onda……… 33
2.4.2.2 Fase y Longitud de Onda……….. 35
2.4.2.3 Intensidad de Campo………. 38
2.4.2.4 Polarización………. 38
2.4.2.5 Atenuación………... 39
2.4.2.6 Reflexión, Refracción y Difracción………... 40
2.4.2.7 Onda de Tierra……… 41
2.4.2.8 Onda d Superficie………... 42
2.4.2.9 Onda de Espacio………. 42
2.4.2.10 Propagación en línea de vista……… 44
2.4.2.11 Propagación en la troposfera……….. 47
2.4.2.12 Ductos Atmosféricos……… 49
2.4.2.13 La Ionosfera………... 51
2.4.2.14 Características de las Capas……….. 52
2.4.2.15 Refracción en la Ionosfera……….. 54
2.4.2.16 Frecuencia Máxima Utilizable………. 55
2.4.2.17 Transmisión a gran distancia……….. 57
2.5 Radioenlaces Fijos Terrestres……… 59
2.5.1 Banda Base……….. 60
2.5.2 Temporización………. 61
2.5.3 Canales de servicio y supervisión……… 62
2.5.4 Operación BI/BE Y D/I……… 64
2.5.5 Etapa de modulador y demodulador……… 68
2.5.6 Etapa de Transmisión y Recepción……… 71
Capitulo III 3.0 Manual de Mantenimiento.………. 74
3.1 Precauciones……… 74
3.2 Condición del Ajuste del Mantenimiento………... 76
3.3 Equipo y Accesorios de Prueba………. 80
3.4 Mantenimiento Preventivo………... 81
3.5 Mantenimiento Correctivo……… 104
3.5.1 Aislamiento de fallas………... 104
3.5.2 Reemplazo……….. 104
Conclusiones……… 106
Bibliografía……… 108
Glosario………... 110
Anexos………... 128
LA MAYORIA DE LAS VECES ME ES MUY DIFICIL ENCONTRAR LAS PALABRAS PARA PODER EXPRESAR MIS IDEAS, PERO LO ES AUN MÀS
DIFICIL ENCONTRALAS PARA DECIR GRACIAS.
A Dios:
Por haberme dado la familia que tengo, los amigos y todas las personas que he conocido a lo largo
de estos años.
Gracias por todas tus Bendiciones.
A mi Abuelita Juana
Gracias por que, parte de lo que soy ahora, te lo debo a ti. Ojala pudieras
estar aquí conmigo.
A mi Abuelita Olga
Gracias por toda su ayuda, en todos los aspectos, por ser un gran apoyo.
A mis Padres:
Gracias por tratar de hacer que en nuestra familia siempre este unida a pesar de todas nuestras diferencias.
Por todo cuanto les debo nunca podré pagárselos.
A mis Tíos:
Luís Enrique Moreno García, Enid Ramírez Hernández por dejarme
formar parte de su familia, sin ustedes no hubiera sido posible
lograr llegar a este momento.
A toda mi Familia y amigos:
Porque de alguna u otra manera siempre han estado presentes
formando parte de mi vida.
Estefanía Benítez Ramírez
Capitulo 1
Antecedentes
1.0 ANTECEDENTES.
1.1 Telecomunicaciones móviles y la era de la información; una combinación para el futuro.
Es difícil imaginar hoy en día lo que seria nuestra forma de vida sin el acceso a los seguros económicos, transparentes y eficientes sistemas de telecomunicación. El teléfono, la radio y la televisión, utilizados cotidianamente, son sólo algunos ejemplos de estos sistemas. Otros más complejos guían los aviones, las naves espaciales y los trenes automáticos, proveen una cobertura en vivo de las noticias alrededor del mundo y la lista de ejemplos podría continuar y continuar. Realmente no es exagerado afirmar que los sistemas de telecomunicaciones no sólo son indispensables para el crecimiento y el desarrollo de la industria, los bancos, los negocios, la educación y la difusión de la información.
Puedo decir que las telecomunicaciones son la conversión o transmisión de la información de un lugar y/o tiempo a otro. Admito que esta definición no es muy precisa, pero siendo los sistemas de telecomunicaciones tan vastos y complejo hoy en día, sería realmente muy difícil definirlos de otra forma. Por el momento, mi propósito es la presentación de los servicios móviles de telecomunicaciones emergentes, para ello podemos empezar con los trabajos y los esfuerzos de quienes han contribuido de una forma u otra al desarrollo de las telecomunicaciones.
1.1.1 Un poco de Historia.
La historia de las telecomunicaciones ha seguido diferentes trayectorias las cuales coinciden y divergen de acuerdo a las aplicaciones. Las cuatro principales son la telegrafía, la telefonía, la radio y los sistemas de datos. Cada una de ellas ha progresado según el alcance tecnológico y las necesidades.
Las telecomunicaciones utilizando señales eléctricas se iniciaron en el año 1800 con invención de la batería por Volta y el descubrimiento de la desviación de una brújula
con el flujo de la corriente a través de un alambre por Oersted. Estos trabajos representaron la base de los sistemas de telegrafía cuyo desarrollo permitió el progreso de los sistemas ferroviarios; implantación de itinerarios, control de tráfico, etc. Un sistema de telégrafo había sido demostrado por George Lasage de Genova en 1774 utilizando una máquina electrostática y un alambre para cada tipo de letra.
Más tarde en Londres, en 1816, un telégrafo electrostático mejorado constituido de un solo alambre fue fabricado por Sir Francis Ronalds. Por otro lado, en los Estados Unidos de América, el profesor Morse de la Nueva Universidad de New Cork diseño un telégrafo capaz de grabar mensajes sobre una cinta de papel, y uno de sus estudiantes, Alfred Vail, concibió el código Morse asignando a cada una de las letras más comunes del abecedario los símbolos más simples. Así en 1845, utilizando la cinta de papel junto con el código Morse, fue posible la transmisión de 12 letras por minuto, y luego alrededor de 1920, gracias a la multiplexación, 200 palabras por minuto. Con el progreso de las telecomunicaciones, muy pronto apareció la necesidad de comunicación entre personas, en puntos distantes y utilizando una señal de voz, dando origen al teléfono y a las comunicaciones persona-a-persona.
El teléfono fue introducido al público en Filadelfia en el año de 1876 durante la exposición centenaria de los Estados Unidos de América. Alexander Graham Bell logró transmitir la voz en forma eléctrica a través de un circuito de alambres de cobre de varias decenas de metros de longitud. Luego, a partir de un transmisor y un receptor electromagnéticos apareció la versión comercial. Pero no fue hasta después del año 1878, con la patente del micrófono de carbón de Henry Hunnings de Yorkshire, que el teléfono moderno vio su origen realmente.
Tiempo después, conforme la red del sistema telefónico continuo extendiéndose, y los primero cables de larga distancia fueron instalados, los primeros problemas eléctricos, las pérdidas y la distorsión inherentes, aparecieron; es importante recordar que en aquel entonces no existía la amplificación de las señales eléctricas. Así Pupin y Cambell alrededor del año 1900, con la invención de las inductancias de carga y colocadas en intervalos específicos a lo largo de las líneas de la red telefónica lograron disminuir una parte de la distorsión debida a las perdidas y a la transmisión de las latas frecuencias del sonido.
Otros problemas más complejos surgieron más tarde, al final de los años 1920, la densidad de tráfico y los requerimientos de equipo para diferentes servicios fueron estudiados por los matemáticos, y algunos pioneros como A.K Erlang, quien dio su nombre a la unidad de densidad de tráfico, realizo importantes contribuciones, mientras las redes telefónicas y telegráficas continuaban su desarrollo, otras necesidades de comunicación afloraron, por ejemplo: las telecomunicaciones trasatlánticas y marítimas dando como resultado la aparición de las telecomunicaciones inalámbricas, y que hoy conocemos como la radio.
En base a los trabajos de Henri Hertz y Gugliemo Marconi en 1894 inicío sus experimentos sobre la transmisión de las ondas electromagnéticas a través del espacio, y obtuvo el registro de su primera patente inalámbrica en el año de 1896 con una máquina que imprimía marcas de tinta sobre un papel cuando recibía las señales del código Morse. Más tarde y por primera vez, el East Goodwin, un barco dañado durante una tormenta utilizó la radio, un equipo de telegrafía inalámbrica, para enviar señales de auxilio. Así en la Gran Bretaña en al año 1900, se fundó la compañía de telecomunicaciones marítimas internaciones Marconi para proveer servicios de telecomunicaciones por medio de las señales de radio.
Un poco más tarde, en 1901 Marconi decidió intentar la transmisión de señales de radio a través del Atlántico, Poldhu en Cornwall y Cape Cod en Massachussets, con ayuda de un transmisor operado a 20 KW en CC y con una eficiencia de Conversión de CC a RF estimado de 20%. Finalmente el 12 de Diciembre, por medio de un micro-teléfono, Marconi logró recibir una débil señal de radio mezclada con el ruido estático; la letra S del código Morse (tres puntos), sin embargo la señal era demasiado débil para poder operar una máquina de telégrafo por lo que no existe prueba física. Los rusos por su parte también reclaman el descubrimiento de la radio. Aleksando Stepanovich Popov un físico que vivió de 1859 a 1905 logró transmitir ondas de radio en 1897 a lo largo de una distancia de 5 Km. Sin embargo sus trabajos fueron orientados hacia el estudio de las descargas eléctricas. Por otra parte, las redes telefónicas continuaron también expandiéndose y después de múltiples tentativas, en 1956 el primer cable telefónico trasatlántico TAT-1 entró en operación permitiendo la transmisión de 36 circuitos telefónicos. En 1966 un desarrollo en el laboratorio, propuesto por K.C. Kao y G.A.
Hockham, llevo a la producción del cable de la fibra óptica y en 1977 fue instalada la primera fibra óptica. Entre 1956 y el día de hoy, otros cables de cobre y de fibra óptica han sido depositados a partir de Francia, Inglaterra y España, cada uno con más y más capacidad de transmisión.
El final de las transmisiones y los intercambios análogos verá probablemente su fin con la revolución digital de las telecomunicaciones y la red telefónica manejará todas las señales (digitales) de la misma forma sin importar la información contenida en ellas:
voz, datos, música, video, etc.
1.1.2 Servicios Móviles de Telecomunicaciones.
A menudo escuchamos que nos encontramos en el inicio de una revolución de las telecomunicaciones, una verdadera revolución que finalmente nos liberará de la liga a un punto de localización y a un número fijo de la red telefónica, y va a proveernos con la capacidad de transmisión de la información en forma móvil y a precios razonables.
Contrariamente a los inicios fallidos de la telefonía móvil a finales de los 80s, hoy el impulso de los servicios móviles de telecomunicaciones: la radio de banda civil, los sistemas de paga, los teléfonos inalámbricos, y sobre todo la gran dispersión de los sistemas de radio en la industria (transportes, construcción, seguridad, etc.) han expuesto a millones de personas a la tecnología inalámbrica de las telecomunicaciones móviles y han influenciado en gran escala las actividades del trabajo y recreo. Sin embargo, los servicios móviles de telecomunicaciones, la telefonía en particular, se han visto limitados por normas obsoletas que han dificultado su participación en el desarrollo de las redes de servicios digitales integrados (RSDI) de las compañías telefónicas por cable. Por ejemplo, la falta de privacidad en los sistemas de radio telecomunicaciones actualmente no será fácilmente remedida con las técnicas análogas existentes.
Durante los últimos años del monopolio monolítico del teléfono por cable y los primero años de la era de los mercados abiertos y competitivos de la radio, los servicios móviles han heredado un proceso regulador defectuoso que ha sido diseñado y re-
diseñado por cientos de grupos de interés, articulado por economistas, abogados e ingenieros, rezagados y comprometidos en las cortes (judiciales y administrativas) por más de veinte años.
A partir del año 1980, los sistemas móviles de telecomunicaciones eran utilizados exclusivamente por las organizaciones públicas, el ejército, la marina y los operadores aéreos. Después de este año, se iniciaron las operaciones de los servicios móviles públicos; la telefonía celular, los sistemas de datos, la radio móvil privada, las redes privadas y los sistemas satelitales móviles. La telefonía móvil ha previsto el acceso inalámbrico de más de 54 millones de usuarios a la red telefónica para el año 2006 tan solo en el mercado Mexicano. En comparación, la red telefónica fija, no alcanza los 20 millones de usuarios.
El gran reto hoy es la adaptación de la radio móvil a las normas de servicios y los parámetros económicos de la telefonía convencional en ámbito de más y más demanda de transmisión. Al mismo tiempo, otras tecnologías de radio comunicación avanzadas están emergiendo y fortalecerán la red telefónica para vigorizar y expandir la telefonía básica “no móvil” más allá de sus limites geográficos y económicos actuales.La radio celular de la telefonía móvil está compuesta de células con estaciones base terminales y receptores. Cada célula cuenta con un grupo de frecuencias para los teléfonos portátiles. Si un teléfono pasa de una célula a otra célula debe existir un control y un cambio de frecuencias transparente para el usuario.
1.2 Sistemas avanzados de Radio Comunicación Digital vía Microondas.
1.2.1 Contribución de los Sistemas de Radio vía Microondas a la integración de redes y servicios.
Esta industria en plena expansión, al igual que el Big Bang, no ha dejado de sorprendernos con su evolución y la fulgurante aparición de múltiples aplicaciones comerciales; por ejemplo; hoy en el mercado ya existen autos equipados con sistemas
de radio que en caso de accidente enviarán una señal de S.O.S hacia un sistema central indicando las coordenadas y una estimación de los daños permitiendo así aumentar la seguridad de los usuarios, con el objetivo final: la comunicación en todo lugar y en todo momento, representa el sistema inalámbrico comercial más extendido en la actualidad. En fin, todos y cada uno de los servicios están basados en un sistema avanzado de radio comunicación digital vía microondas, integrados en redes privadas que van desde LANs hasta WANs.
Dado que los sistemas de radio digital deben proveer un enlace de transmisión dentro de una red integrada regional, pública o mundial deberán entonces proporcionar la misma confiabilidad y disponibilidad que sus principales tecnologías competidoras: el cable de cobre, la fibra óptica y los sistemas satelitales. Gracias a la integración de las técnicas digitales la robustez de la señal de radio se ha mejorado de manera significativa. Razón por la que la tecnología de radio comunicaciones vía microondas ha ganado una tremenda importancia como medio de comunicación.
Como paso clave hacia el establecimiento de una red digital integrada mundial, las administraciones de telecomunicaciones en todo el mundo se encuentran actualmente involucradas en la digitalización de sus facilidades de transmisión y conmutación.
Las redes de transmisión actuales consisten de una mezcla de cable (fibra óptica y coaxial), satélites y sistemas de radio microondas (analógicos y digitales). La introducción de los sistemas de radio digital ha sido exitosa gracias a sus eficiencias espectrales, su bajo costo de instalación y mantenimiento, su facilidad de actualización por software, su compatibilidad con sus contrapartes análogas y cableadas, y la posibilidad de coexistencia con otros sistemas de transmisión sin llevar a degradaciones del funcionamiento.
Capitulo 2
Marco Teórico Referencial
2.0 MARCO TEORICO DE REFERENCIA.
2.1 Radiación Electromagnética.
2.1.1 Ondas Electromagnéticas.
En tiempos de Maxwell la luz y las radiaciones infrarrojas y ultravioletas que la acompañan eran los únicos tipos de radiaciones electromagnéticas conocidas. Hoy en día el espectro electromagnético, abarca una amplia gama de diferentes clases de radiaciones provenientes de una variedad de fuentes.
Según Faraday, un campo magnético variable, induce un campo eléctrico también variable, como en electrostática se hace hincapié de que toda carga eléctrica en reposo crea a su alrededor un campo eléctrico, cuya intensidad difiere en cada punto.
Por lo tanto, las cargas eléctricas estacionarias producen campos eléctricos, las cargas eléctricas en movimiento producen campos eléctricos y magnéticos; los cambios cíclicos en estos campos producen radiación electromagnética, de esta manera la radiación electromagnética consiste en una oscilación perpendicular de un campo eléctrico y magnético (Fig. 2-1). La radiación electromagnética transporta energía de un punto a otro, esta radiación se mueve a la velocidad de la luz (siendo la luz un tipo de radiación electromagnética).
Fig. 2-1
La principal característica de las ondas electromagnéticas es que se pueden propagar por el vació (cosa que no ocurre con las ondas mecánicas). Gracias a que no necesitan un medio material para propagarse, estas ondas pueden atravesar el espacio
interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c=299.729kms.
Las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Otra característica de las ondas electromagnéticas es que son ondas transversales(es decir: la vibración de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda). Lo que vibra a su paso son los campos eléctricos y magnéticos que crean a propagarse. La vibración puede ser captada y esa energía absorberse.
Las ondas electromagnéticas están constituidas por dos campos, uno eléctrico y otro magnético, mutuamente sostenidos que se propagan en el espacio en forma ondulatoria. Estas ondas, portadoras de energía, se caracterizan por los parámetros:
amplitud y frecuencia, que las determinan totalmente.
o Frecuencia. La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustración (Fig. 2-2). La frecuencia se representa con la letra (f) y su unidad de medida es el ciclo o hertz (Hz) por segundo.
Fig. 2-2
A. Onda sinusoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo.
B. Onda sinusoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.
o Longitud de Onda. Las ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendiéndose hasta la orilla.
Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres.
La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, medida en múltiplos o submúltiplos del metro (m), constituye lo que se denomina “longitud de onda” (Fig. 2-3).
Fig. 2-3
Como la luz es una radiación electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos del metro, como son el Ángstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de metro y el Nanómetro (nm) que es la milmillonésima de metro.
o Amplitud. La amplitud de una onda está definida por la distancia que separa el pico de la cresta o valle de la línea de base (A). la energía que transporta la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud.
La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.
Pero, además de sus propiedades ondulatorias, también presentan aspectos corpusculares (fotones) comportándose entonces, como paquetes de energía, la cual depende exclusivamente de la frecuencia. Las ondas, además de energía, pueden portar información si se modula su amplitud, frecuencia o ambas; y por ello se utilizan en los sistemas de telecomunicación.
2.1.2 Espectro Electromagnético.
La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas) como se muestra en la Fig. 2-4. La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio.
Fig. 2-4 Espectro Electromagnético
Podemos observar en la figura anterior que hacia el extremos inferior del espectro se agrupan las ondas más largas, como las correspondientes a frecuencias de sonidos que puede percibir el oído humano, mientras que hacia el extremo superior se agrupan las ondas extremadamente más cortas, pero con mayor energía y mayor frecuencia en hertz, como las pertenecientes a las radiaciones gamma y los rayos. A continuación se da una descripción un poco más detallada de los diferentes tipos de radiación:
o Ondas de radio. Las ondas de radio tiene longitudes de onda mayores a 1m. se producen a partir de fuentes terrestres mediante electrones que oscilan en
conductores de circuitos eléctricos. Mediante una elección cuidadosa de la geometría de estos circuitos, como en una antena, podemos controlar la distribución en el espacio de la radiación emitida (si al antena actúa como transmisión) o la sensibilidad del detector (si la antena actúa como receptor).
o Microondas. Las microondas pueden considerarse como ondas cortas de radio, con longitudes de onda típicas en la zona de 1 mm a 1m. comúnmente se producen por osciladores electromagnéticos en circuitos eléctricos, como en el caso de los hornos de microondas. El magnetrón es una cavidad resonante formada por dos imanes de disco en los extremos, donde los electrones emitidos por un cátodo son acelerados originado los campos electromagnéticos oscilantes de la frecuencia de microondas.
o Infrarrojos. La radiación infrarroja, que tiene longitudes de onda mayores que la de lo visible (desde 0.7 µm hasta 1 mm aproximadamente), se emiten comúnmente por átomos o moléculas cuando cambian su movimiento vibratorio o rotatorio. Este cambio ocurre a menudo como un cambio en la energía interna del objeto emisor y se observa como un cambio en la energía interna del objeto que detecta la radiación. En este caso, la radiación infrarroja es un medio importante de transferencia de calor, y a veces se le llama radiación térmica.
o Luz visible. La región visible del espectro es la más familiar para nosotros, porque como especie hemos adaptado receptores (los ojos) que son sensibles a la radiación electromagnética más intensa emitida por el sol, la fuente extraterrestre más cercana. Los límites de la longitud de onda de la región visible van desde 400 nm (el violeta) hasta unos 700 nm (el rojo). La luz se emite a menudo cuando los electrones exteriores (o de valencia) de los átomos cambian su estado de movimiento; por esta razón, estas transiciones en el estado del electrón se llaman transiciones ópticas. El color de la luz nos dice algo acerca de los átomos o del objeto del cual se emitió.
o Ultravioleta. Las radiaciones de longitudes de onda más costas de lo visible comienzan con la ultravioleta (1 nm a 400 nm), la cual puede producirse por las transiciones atómicas de los electrones exteriores así como en la radiación que
parte de fuentes térmicas como el sol. Puesto que nuestra atmósfera absorbe fuertemente las longitudes de onda ultravioletas, poca de esta radiación del sol llega a la superficie. Los ultravioleta pueden destruir la vida y se emplean para esterilizar.
Nuestra piel detecta la radiación ultravioleta y nuestro organismo se pone a fabricar melanina para protegernos de la radiación.
o Rayos X. Los rayos X (con longitudes de onda típicas entre 0.01 nm y 10 nm) pueden producirse con longitudes de onda discretas en transiciones individuales entre los electrones interiores (los más fuertemente ligados) de un átomo, y también pueden producirse al desacelerar partículas cargadas (como electrones). Las longitudes de onda de los rayos X corresponden aproximadamente al espaciamiento entre los átomos de los sólidos; por lo tanto la dispersión de los rayos X de los materiales es una manera útil de estudiar su estructura. Son peligrosos para la vida: una exposición prolongada produce cáncer
o Rayos Gamma. Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas con las longitudes de onda más cortas (menos de 10 pm). Son las más penetrantes entre las radiaciones electromagnéticas, y la exposición a una radiación gamma intensa puede tener un efecto perjudicial sobre el cuerpo humano. Se originan en los procesos de estabilización en el núcleo del átomo después de emisiones radiactivas.
2.1.2.1 Aplicaciones.
o Rayos gamma. Los rayos gamma provenientes del cobalto 60 se utilizan para esterilizar instrumentos que no pueden ser esterilizados por otros métodos, y con riesgos considerablemente menores para la salud. Los rayos gamma también son utilizados en la radioterapia,
o Rayos X. Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la industria y la medicina.
El estudio de los rayos X ha desempeñado un papel primordial en la física teórica, sobre todo en el desarrollo de la mecánica cuántica. Como herramienta de investigación, los rayos X han permitido confirmar experimentalmente las teorías
cristalográficas. Utilizando métodos de difracción de rayos X es posible identificar las sustancias cristalinas y determinar su estructura. Los métodos de difracción de rayos X también pueden aplicarse a sustancias pulverizadas que, sin ser cristalinas, presentan alguna regularidad en su estructura molecular. Mediante estos métodos es posible identificar sustancias químicas y determinar el tamaño de partículas ultramicroscópicas. Los elementos químicos y sus isótopos pueden identificarse mediante espectroscopia de rayos X, que determina las longitudes de onda de sus espectros de líneas característicos. Varios elementos fueron descubiertos mediante el análisis de espectros de rayos X.
Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante rayos X, para que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de producción.
Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en las aduanas; también se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los equipajes. Los rayos X ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad de obras de arte y para restaurar cuadros.
Las fotografías de rayos X o radiografías y la fluoroscopia se emplean mucho en medicina como herramientas de diagnóstico. En la radioterapia se emplean rayos X para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a la radiación.
o Infrarrojos. Los rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana:
cuando encendemos el televisor y cambiamos de canal con nuestro mando a distancia; en el supermercado, nuestros productos se identifican con la lectura de los códigos de barras; vemos y escuchamos los discos compactos... todo, gracias a los infrarrojos. Estas son sólo algunas de las aplicaciones más simples, ya que se utilizan también en sistemas de seguridad, estudios oceánicos, medicina, etc.
o Microondas. Las ondas microondas tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una
transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco tiempo. Las comunicaciones y el radar son otras dos aplicaciones de las microondas.
o Ondas de Radio. El uso más habitual de las ondas de radio con efecto terapéutico se lleva a cabo mediante el uso de corrientes alternas de frecuencia superior a los 100 KHz. A diferencia de las corrientes alternas de frecuencia menor, las ondas de radio no tienen un efecto estimulante del sistema neuromuscular, sino que producen en el organismo un efecto térmico. Gracias a las ondas de radio se dispone de un mecanismo para realizar una termoterapia en el interior del organismo de manera homogénea.
En la actualidad, las ondas de radio se emplean sobre todo en el tratamiento denominado onda corta. Se trata de un tipo de corriente alterna de alta frecuencia caracterizada por tener una longitud de onda comprendida entre 1 y 30 metros (10- 300 MHz). La onda corta, debido a su alta frecuencia es capaz de atravesar toda clase de cuerpos, tanto conductores como no conductores, pero es en los cuerpos conductores donde se produce un calentamiento apreciable debido al efecto Joule.
Aparte de su efecto térmico, la onda corta posee otros efectos como son el aumento de la circulación (hiperemia), aumento leucocitario pasajero y acción analgésica y anti-inflamatoria. Recientemente se sigue investigando en la utilización de ondas de radio en medicina pero no tanto con fines terapéuticos sino más bien de observación. Estas técnicas se basan sobre todo en el empleo de ondas de radio conjuntamente con campos magnéticos, de manera similar a como se combinan campos magnéticos y eléctricos en la Resonancia Magnética.
2.1.3 Espectro Radioeléctrico.
Todos conocemos que nuestras radios sintonizan distintas "bandas de frecuencias" que generalmente denominamos: Onda Media, Onda Corta, FM (VHF), etc. Estas "bandas"
son divisiones del "espectro radioeléctrico" que por convención se han hecho para distribuir los distintos servicios de telecomunicaciones. Cada una de estas gamas de
frecuencias poseen características particulares que permiten diferentes posibilidades de recepción.
Conviene aclarar que se denomina Espectro Radioeléctrico a la porción del Espectro Electromagnético ocupado por las ondas de radio, o sea las que se usan para telecomunicaciones (Fig. 2-5)
Fig. 2-5 Espectro Radioeléctrico
Esta división del espectro de radioeléctrico fue establecido por el Consejo Consultivo internacional de las Comunicaciones de Radio (CCIR) en el año de 1953. Debido a que la radiodifusión nació en los Estados Unidos de América las denominaciones de las divisiones se encuentran en idioma ingles. Y de allí las abreviaturas tal cual las conocemos adoptadas en la Convención de Radio celebrada en Atlantic City en 1947.
A su vez la unión internacional de Telecomunicaciones (UIT-ITU) dividió al planeta en tres regiones, en las cuales la distribución de las frecuencias para los distintos usos y servicios son similares para los países que integran una región determina. La Región 1 es Europa, África, el Medio Oriente, Mongolia y el territorio de Rusia. La Región 2 son los países que conforman el continente Americano. La Región 3 es el resto del Mundo, principalmente Asia y Oceanía (Fig. 2-6)
Fig. 2-6 Distribución de Regiones a nivel mundial
2.1.3.1 Distribución.
Según la COFETEL (Comisión Federal de Telecomunicaciones) el espectro radioeléctrico es un recurso limitado se requiere de procedimientos a través de los cuales se otorguen, en forma transparente y ordenada las concesiones para su uso, explotación y aprovechamiento eficiente.
A finales de 1994, se detectó que no existía una política integral para la atribución, asignación, planificación y ordenamiento del espectro radioeléctrico, lo que limitaba su aprovechamiento.
Más aún, no existía un costo real para los concesionarios, y el erario federal no percibía ingresos acordes al precio que la demanda determinaba por el uso de este recurso.
Asimismo, la falta de regulación y coordinación en el uso del espectro, afectaba los servicios de radiocomunicación en las zonas fronterizas. Tampoco existían mecanismos para aplicar exitosamente los servicios que se estaban generando a raíz de las nuevas tecnologías digitales y la compresión de señales.
Al otorgar las concesiones a través de licitaciones públicas, el Estado cuenta con un instrumento que promueve y genera los incentivos para lograr un sector de telecomunicaciones competitivo, al no restringir el acceso de nuevos agentes económicos que pretenden ofrecer algún servicio de telecomunicaciones. De lo anterior se destaca la presente distribución para la republica mexicana.
Tabla 2-1 distribución de espacio radioeléctrico
2.2 Jerarquía Digital
2.2.1 Jerarquía Digital Plesiosíncrona.
Las redes analógicas de radio estaban basadas en la múltiplexación por división de frecuencias y los así llamados sistemas FDM. Los sistemas digitales que los reemplazaron estuvieron basados en la múltiplexación por división de tiempo y el uso de la modulación por codificación de pulso (PCM) para formar la tasa de línea digital primaria (E1 ó T1). Para crear tasa de bits más grandes se usan multiplexaciones secundarias. Esto no es hecho sincrónicamente, pero parece síncrono debido a una técnica llamada llenado (stuffing). “Plesio” quiere decir cercanamente, de ahí el termino plesiochronous (casi sin-crono) de la jerarquía digital (PDH).
Las multiplexaciones de orden más grande usan bits de intercambio para las cadenas de bits de entrada dentro de una cadena de orden mayor. Los multiplexadores tienen que sincronizar los arreglos de cadenas de datos de entrada tal que ellos puedan ser multiplexados dentro de una cadena de bits de orden mayor. Cada cadena de E1 ó T1 es esencialmente libre en su recorrido porque no está limitada a una señal de reloj central. La tasa de bits nominal E1 es 2048 kbits/s. En una múltiplexación de 2/8 cuatro cadenas de 2 Mbps son multiplexados dentro de una cadena de 8Mbps como sigue:
La cadena de datos de entrada es leídas dentro de unos buffers de almacenamiento elásticos usando un reloj que es extraído desde la cadena de bits. Los bits son copiados a cada buffer un bit a la vez y bits de intercalado son agregados a al cadena usando el reloj principal del multiplexor. Para asegurarse de que los datos de entrada sean lo más rápidos posibles para no causar sobre flujo en los buffers, el reloj del multiplexor corre en una tasa más alta que la cadena de entrada más rápida, en otras palabras 2048 kbps+ 50 ppm (2048 102 bps). Hay también bits extra agregados a la cadena secundaria así la tasa del reloj necesita ser incluso mayor para permitir al reloj de línea pararse mientras los bits extras de la cabecera son agregados.
Al corres el reloj más rápido quiere decir que hay tendencia natural para que los buffer funcionan vacíos. Para evitar esto, cuando un cierto nivel es alcanzado, el buffer nota
que el reloj está detenido y durante este periodo bist de “stuffing2 (relleno)s de sincronización son usados para decir al demultiplexor en el otro terminal que bits son reales y cuales son rellenos así que los bits de relleno puedan ser descartados.
Además de los bits de relleno un paquete de palabra de alineación es agregado para crear un paquete total de 8448 kbps. La tasa más alta de 34 Mbps y 140 Mbps son creados en un modo similar multiplexando cuatro de las señales con más baja velocidad.
En la práctica, multiplexaciones de doble paso o triple paso son usadas para evitar los niveles intermedios. Una comparación de tramas PDH definidas en Norte América y Europa es presentada en la Tabla 2-2.
TABLA 2-2 Varias tasas estándares de bit PDH PDH
(Norte América)
BIT RATE PDH
(ITU)
BIT RATE
T1(DS1) 1.544 Mbits/s E1 2.048 Mbits/s
T2(DS2) 6.312 Mbits/s E2 8.448 Mbits/s
T3(DS3) 44.736 Mbits/s E3 34.368 Mbits/s
T4(DS4) 139.264 Mbits/s E4 139.264 Mbits/s
2.2.2 Jerarquía Digital Síncrona.
Con la demanda de más ancho de banda y las necesidades de estandarización, manejabilidad y flexibilidad en las redes, un nuevo estándar fue desarrollado en el ITU.
Este trabajo comenzó alrededor de 1986 y en 1988 el primer estándar SDH fue probado. El objetivo era tener un conjunto de estándares mundiales que pudieran permitir interoperabilidad de diferentes equipos dentro de la misma red. Los estándares fueron basados sobre el estándar óptico SONET y fueron diseñados para asegurar que la tasa de bits de Norte América 1544 kbps y Europa 2048 kbps pudieran ser acodados. El estándar SDH usa una tasa de bits común de 155 Mbps. Una comparación entre las tasas SONET y SDH es mostrada en la Tabla 2-3.
TABLA 2-3 Comparación de SDH y SONET
SONET Transport Level BIT RATE SDH
OC-1 STS-1 51.84 Mbits/s STM-0
OC-3 STS-3 155.52 Mbits/s STM-1
OC-12 STS-12 622.08 Mbits/s STM-4
OC-48 STS-48 2488.32 Mbits/s STM-16
En PDH las señales de tasa más bajas son bits intercalados dentro de la jerarquía perdiendo así sus características originales de interfaz. La técnica de “relleno” son usadas para asegurar que las señales totales pueden ser demultiplexadas en la terminal distante si requerir un reloj común. En SDH lo fundamental es mapear sincrónicamente las señales de tasa más bajas dentro de un contenedor que es así incrustado en el paquete competo sin perder sus características de interfase originales.
Una cabecera adicional es entonces agregados al contenedor y al paquete o trama que permita la manejabilidad de la señal original directamente a través de la red. Este es el aspecto que permite a SDH tener tal capacidad de administración de súper redes.
2.3 Estructuras para Comunicaciones
Las estructuras utilizadas en telecomunicaciones sirven para la transmisión de energía eléctrica, así como la transmisión de señales, como en el caso de los teléfonos celulares. Existen diversos elementos que estas estructuras deben de soportar, como antenas de transmisión y equipos para telecomunicaciones, entre otros. La mayoría de estas estructuras son ligeras, por lo que en su diseño influye los esfuerzos que genera el viento, sin embargo también podemos encontrar estructuras con mucho peso debido a su tamaño, por lo cual un sismo es un elemento importante a considerar, debido al daño que podría ocasionar a nuestra estructura.
2.3.1 Tipos de Estructuras.
Estas estructuras pueden variar según las necesidades y las condiciones del sitio en donde se vayan a ubicar.
En la actualidad las compañías que se dedican a fabricar estas estructuras, ya cuentan con sus modelos optimizados totalmente para poder obtener la mayor optimización en el funcionamiento de la estructura, en don los perfiles y ángulos varían de tamaño y espesor dependiendo de la altura de la estructura, y del lugar en donde se van a construir, afectando principalmente la velocidad del viento que exista en el lugar de establecimiento.
Existen varias formas de proteger una torre de comunicación. Una manera es colocar una punta pararrayos en la cima de la torre y de ahí un conductor de cobre por toda la longitud de la torre. Sin embargo, por estar el cobre y el acero en contacto, se corroe el acero, además otro inconveniente es la inductancia del cable tan largo que crea una trayectoria de tan alta impedancia que no es efectivo como circuito a tierra. Por lo que se recomienda usar la estructura con una punta electrodo en su parte superior y conectores adecuados para su conexión al acero estructural. Sin embargo esto puede crear interferencia en antenas de radio y se puede evitar la recepción en determinadas zonas.
De esta manera podemos encontrar que existen cuatro tipos diferentes de estructuras con diferentes contornos y ángulos de acero unidos por tornillos, pernos o remaches o por medio de soldadura. Estas estructuras podrán ser de diversas alturas, dependiendo de las especificaciones requeridas para poder suministrar un correcto funcionamiento, y son:
A. Torre arriostrada o Mástil arriostrado B. Torre autosoportada.
C. Monopolo.
D. Mástil.
A B C D
Fig. 2-7 Tipos de estructuras para comunicaciones
A. Torre arriostrada o Mástil Arriostrado.
Una torre arriostrada, se le domina a aquella estructura metaliza que necesita de arriostres para sustentarse, es decir, necesitan riendas o cables en cada una de sus aristas y a diferentes alturas (Fig. 2-8).
Fig. 2-8 Torre Arrostrada
Debido a su versatíbilidad, en cuanto altura se refiere, podemos encontrar, que existen edificaciones en terrenos amplios, y sobre tierra firme, así como en azoteas. El peso que genera la estructura existente no es muy grande, por lo que no adiciona mucho peso a la edificación, sin embargo, se debe colocar el apoyo de la estructura y sus arriostres sobre columnas y elementos resistentes, porque la descarga de la estructura no podría colocarse sobre una losa o algún otro elemento que no sea adecuado,
porque este podría fallar. La base de la estructura genera un esfuerzo de compresión en donde esté apoyada, y los arriostres generan un esfuerzo de tensión.
Podemos encontrar que este tipo de estructuras consta de 6 partes (Fig. 2-9):
1. Antirrotor. Nos proporciona estabilidad evitando que la estructura sufra una deformación o rotación.
2. Cinturón. Es donde van sujetas las riendas o cables.
3. Base. Es el apoyo principal. de la estructura.
4. Riendas. Las riendas o cables, generalmente se tensan al 10% de su resistencia.
5. Anclaje. Estos deben ser fuertes, debido que en ellos recae la mayor tensión.
Normalmente son dados de concreto.
6. Soporte.
Antirrotor
Cinturón
Fig. 2-9
Cuando al centro de la edificación no se encuentre una columna para poder apoyar la base de la estructura, se puede recurrir a la colocación de alguna viga de acero o alguna estructura para que la torre se apoye. Este tipo de estructuras es aplicable cuando el área o terreno disponible es muy grande.
Base de apoyo
B. Torre Autosoportada.
Una torre autosoportada, se le denomina a aquella estructura metaliza que se puede soportar por si misma, es decir, no requiere de elementos externos para mantenerse en pie como en el caso de las arriostradas (Fig. 2-10).
Fig. 2-10 Torres Autosoportada
Este tipo de estructuras debe de contar con una cimentación adecuada para resistir las fuerzas a las que está sometida, como son la resistencia del viento así como el peso de la misma estructura. La geometría de estas torres depende de la altura, la ubicación y del fabricante. Sus partes son (Fig. 2-11):
1. Cierre.
2. Quiebre.
3. Diagonales.
4. Montante.
5. Travesaños.
6. Rompretramos.
7. Base de la estructura.
Fig. 2-11 Torre autosoportada
Las torres autosoportadas se implementan cuando el área o terreno para desplantarse es mínimo.
C. Monopolo.
Este tipo de estructuras son instalas en lugares en donde se requiere conservar la estética, pues son las que ocupan menos espacio, y se pintan de algún color o se adornan para que se permita que la estructura se camuflaje y se simule la vegetación.
Como estas estructuras están sobre terrenos que están en contacto con la naturaleza (no en todos los casos), se deberá de construir una cimentación adecuada para resistir los efectos del mismo. Sus partes son (Fig. 2-12):
1. Plataforma.
2. Soportes.
3. Tramo típico.
4. Escalera, 5. Brida unión.
6. Ingreso cables.
7. Base.
Fig. 2-12 Monopolo ó Monoposte
D. Mástil.
Este ultimo tipo de estructura son de muy poco altura, no mas de 4 metros, y se utilizan principalmente sobre edificaciones con una altura considerables, o dependiendo de la utilización requerida. Sus partes son (Fig. 2-14):
Fig. 2-13
1. Unión. Esta parte es opcional, todo depende de la altura requerida.
2. Puntal. Sirve de apoyo a la estructura.
3. Escalera. Es opcional, depende de la altura.
4. Mástil o pedestal.
Fig. 2-14
El grado máximo de aprovechamiento de una única estructura diferirá dependiendo de las características técnicas de las estaciones de Telecomunicaciones, tales como tecnologías de interfaz de aire, frecuencia de uso, niveles de potencia de recepción y transmisión, umbrales de ruido electromagnético permitido, direccionabilidad de las antenas etc.
2.4 Antenas para Microondas
2.4.1 Antenas Reflectoras Típicas.
En los enlaces radioeléctricos terrestres por problemas de interferencias se requieren reflectores adicionales de alto rendimiento y ancho de banda. Se han adoptado viseras
recubiertas de material absorbente que disminuyen los campos difusos. En una antena parabólica típica una onda esférica procede del alimentador de la antena el cual actúa de fuente primaria y es transformada en una onda plana tras el paso por el reflector. El problema reside en iluminar el reflector desde el foco del mismo. En la Fig. 2-15 se ha resumido algunos tipos de reflectores para antenas directivas de enlaces radio eléctricos terrestres.
Fig. 2-15 Tipos de reflectores para antenas
El reflector de la antena debe cumplir la condición de entregar una onda plana a la salida del mismo. En teoría el alimentador es una fuente puntual que alimenta al reflector que está situado en el foco de la parábola. En la práctica ocupa un espacio y no satisface el diagrama direccional. La energía radiada por el alimentador desborda al reflector y produce una emisión espuria que crea lóbulos laterales.
Una solución es colocar una superficie absorbente y otra es reducir la irradiación del iluminador sobre el borde de la parábola con lo cual se reduce tanto el lóbulo lateral como se incrementa la ganancia total del reflector. Los sistemas comunes de reflectores e iluminadores son el alimentador en el foco de una parábola, en Cassegrain y en Gregorian.
o La Parábola. Tiene la ventaja de que el bloqueo por parte del iluminador de la abertura de la antena es reducido y la bocina alimentadora es reducida y pequeña.
Sin embargo, requiere de tramos de cable coaxial o guía de onda largos. Es la antena típica usada para radioenlaces terrestres. Por debajo de 2 GHz se usan antenas grilla (Grid).
o La Cassegrain. Es basada en un doble reflector diseñado por Cassegrain en el siglo XVII para telescopios ópticos. Está formada por un reflector principal y otro auxiliar que corresponde a una porción de paraboloide. Esta antena se la usa para producir elevadas atenuaciones en el lóbulo secundario y obtener pequeños ángulos de irradiación. El sistema Cassegrain permite ubicar la bocina con un tramo de guía menor pero el subreflector bloquea gran parte de la apertura y el desbordamiento aumenta los lóbulos laterales. Esta antena es la usada en la mayoría de los enlaces satelitales.
o El Reflector Off-set. Está para evitar el bloqueo de la apertura del reflector por parte del iluminador (enfoque descentrado del reflector). De tal tipo de antenas surge el reflector horn ampliamente utilizado en enlaces para obtener una elevada ganancia, buena discriminación a la polarización cruzada y gran ancho de banda. El costo es, sin embargo, bastante superior a las antenas parabólicas normales. La aplicación de las antenas depende de la congestión del enlace y la capacidad.
2.4.2 Propagación.
Dado que la comunicación de radio es transportada por ondas electromagnéticas viajando a través de la atmósfera terrestre, es conveniente saber algo sobre las características de las ondas y la forma en la cual su comportamiento es influenciado por las condiciones durante su viaje desde el transmisor hasta el receptor. Mientras que el conocimiento de la propagación no es del todo esencial para aquel que desea instalar una antena efectiva, unos cuanto detalles deben ser comprendidos antes que los principios de diseño de antenas sean correctamente aplicados. Aunque una antena radía la potencia aplicada con un alto grado de eficiencia, si esa potencia viaja al punto receptor deseado pero va a algún otro lugar, la antena está fallando.
2.4.2.1 Características de Onda
Una onda de radio es una combinación de campos eléctricos y magnéticos, con la energía dividida entre los dos. Si las ondas pudieran originarse en un punto en el espacio libre, lo cual ocurre, y para efectos prácticos, en las extensiones interplanetarias e interestelares del universo, ellas se extenderían en esferas con fuentes como centro. La velocidad a la cual las esferas se expanden sería a la misma velocidad de la luz, ya que la luz es también una onda electromagnética. En el espacio libre, esta velocidad es 300,000,000 metros por segundo. La trayectoria de un rayo desde la fuente a cualquier punto de la superficie esférica es siempre una línea recta (el radio de la esfera).
Es obvio que en un tiempo relativamente corto una esfera creciendo hacia afuera desde el centro sería larga sin duda. Un observador en dicha superficie esférica debería concluir, si el pudiera "ver" la onda en su vecindad, que no pareciera ser esférica del todo, pero en vez de esto parecería como una superficie plana --- justamente como la tierra es vista plana por los seres humanos en vez de esférica. Una onda que está lo suficientemente retirada de la fuente para parecer plana es llamada una onda plana. Las ondas de radio con las que tratamos en comunicaciones siempre alcanzan esta condición, al menos después que han viajado una distancia corta de la antena transmisora.
Una representación típica de las líneas de fuerza eléctrica y magnética en una onda plana es mostrada en la Fig. 2- 16. La naturaleza de la propagación de la onda es tal que las líneas eléctricas y magnéticas son mutuamente perpendiculares, como es mostrado en el dibujo. El plano que contiene el juego de líneas cruzadas representa el frente de la onda (wave front). La dirección de viaje de la onda es siempre perpendicular al frente de la onda, pero la dirección es hacia adelante o hacia atrás y es determinada por la dirección relativa de las fuerzas eléctrica y magnética.
Fig. 2-16
Representación de los campos magnético y eléctrico de una onda plana polarizada verticalmente viajando a lo largo de la tierra.
Las flechas indican la dirección instantánea de los campos para una onda viajando perpendicularmente hacia el lector.
Si la onda esta viajando a través de cualquier medio que el espacio libre su velocidad no es 300,000,000 metros por segundo pero es un poco menor. El que tanto menor depende
de la sustancia o medio a través de la cual la onda está viajando. Sí el medio es aire en lugar del espacio vació, la reducción en la velocidad es tan pequeña que puede ser despreciada en la mayoría de los cálculos. En materiales sólidos aislantes la velocidad es en general mucho menor; por ejemplo, en agua destilada (la cual es un buen aislante) las ondas viajan solamente a un noveno de la velocidad en el espacio. En buenos conductores como los metales la velocidad es tan baja como los campos opuestos (los cuales son producidos por corrientes inducidas en el conductor por la misma onda) ocupan prácticamente el mismo espacio como la onda original y esto casi siempre la cancela. Esta es la razón por la cual el efecto pelicular (effect skin) en los conductores a altas frecuencias y también la razón por la cual cajas metálicas delgadas forman buenos protectores (shields) para circuitos eléctricos en radiofrecuencia.
2.4.2.2 Fase y Longitud de Onda.
Debido a que la velocidad a la cual las ondas de radio viajan es alta, caemos en el hábito de ignorar el tiempo que transcurre entre el instante en el que la onda deja la antena trasmisora y el instante al cual la onda llega a la antena receptora. Es verdad que toma solamente un séptimo de segundo viajar alrededor de la tierra, pero existen otros factores que hacen el factor de tiempo extremadamente importante.
La onda es producida por el flujo de una corriente alterna en un conductor (usualmente una antena) la cual produce campos eléctricos y magnéticos. La corriente alterna
usada para trabajar en radio puede tener cualquier frecuencia desde unos cientos de miles hasta billones de ciclos por segundo. Supongamos una frecuencia de 30 Mhz, esto es 30,000,000 de ciclos por segundo. Uno de estos ciclos es completado en 1/30,000,00 de segundo, y dado a que la onda está viajando a una velocidad de 300,000,000 metros por segundo, se habrá movido solamente 10 metros durante el tiempo en el cual la corriente ha recorrido un ciclo completo. Dicho de otra manera, el campo electromagnético a diez metros de distancia de la antena es causado por la corriente que estuvo fluyendo en la
antena un ciclo anterior en el tiempo; el campo a 20 metros es causado por la corriente que ha estado fluyendo dos ciclos anteriores, y así sucesivamente.
Ahora si cada ciclo de corriente es simplemente una repetición de ciclo que le precede, la corriente al instante correspondiente en cada ciclo será idéntico, y el campo causado por esas corrientes idénticas también serán iguales. Como los campos de mueven hacia fuera estos se vuelven más delgados en superficies largas, por lo que la amplitud decrece con la distancia de la antena. Pero estos no pierden su identidad con respecto al instante del ciclo al cual fue generado. Esto es, la fase del movimiento aparente de la superficie permanece constante. Este continua, y entonces a intervalos de 10 metros medidos desde la antena la fase de las ondas en cualquier instante dado es idéntica.
Con este hecho tenemos la manera para hacer dos definiciones; onda frontal (wave front) y longitud de onda. La onda frontal es simplemente una superficie en cada parte en la cual la onda está en la misma fase. La longitud de onda es la distancia entre dos ondas frontales teniendo fase idéntica en cualquier instante dado. En el ejemplo, la longitud es 10 metros porque la distancia entre dos ondas frontales teniendo la misma fase es de 10 metros. Esta distancia, por cierto, siempre debe ser medida perpendicularmente a la onda frontal; en otras palabras, a lo largo de la misma línea que representa la dirección en la cual la onda está viajando. Mediciones hechas en cualquier otra dirección podrían generar conclusiones erróneas. Expresada en una fórmula, la longitud de onda es:
f l = v
Donde:
l = Longitud de onda v = Velocidad de la onda f = Frecuencia
La longitud de onda será expresada en la misma unidad de longitud que la velocidad siempre y cuando la frecuencia se exprese en la misma unidad de tiempo que la velocidad. Para una onda viajando en el espacio libre (y lo suficientemente cercano para que las ondas viajen a través del aire) la longitud de onda es:
) (
) 300
( metros f MHz
l =
En la Fig. 2-17, las puntas A, B y C están todos en la misma fase porque estos corresponden a instantes en cada ciclo. Esta es una ilustración convencional de una onda senoidal de corriente alterna con tiempo progresivo a la derecha. También representa un punto de la distribución de intensidad de los campos viajando, si la distancia es substituida por tiempo en el eje horizontal. En este caso la distancia entre A y B o entre B y C representan una longitud de onda. Esto muestra que la distribución de intensidad de campo sigue la curva senoidal, la amplitud y polaridad, corresponden exactamente a las variaciones de tiempo en corriente que producen los campos. Debe recordarse que es una foto instantánea; donde la onda actual viaja al igual que una ola de agua.
Fig. 2-17
La amplitud instantánea de ambos campos (eléctrico y magnético) varía senoidalmente con el tiempo como se muestra en la figura. Dado
que los campos viajan a velocidad constante, la gráfica también representa la distribución instantánea de la intensidad de campo a lo largo de la trayectoria de la onda. La distancia entre dos puntos iguales en fase, como A-B y B-C, es la longitud de onda.
2.4.2.3 Intensidad de Campo.
La fuerza de una onda es medida en términos de voltaje entre dos puntos de una línea de fuerza eléctrica en el plano de la onda frontal. La unidad de longitud es el metro, y dado que el voltaje en una onda es usualmente bajo, la medición es hecha en microvolts por metro. El voltaje medido sigue las variaciones de tiempo tal como la corriente original que causó la onda, y por tal es medida como cualquier otro voltaje de corriente alterna, esto es, en términos de valor efectivo, o algunas veces, el valor pico.
Hay unas pocas, si las hay, ocasiones en el trabajo del aficionado donde la medición de la intensidad de campo es necesaria. Esto por fortuna, ya que el equipo necesario es elaborado. Es comparativamente sencillo, sin embargo, hacer mediciones de intensidad de campo relativo, y esto determina cualquier forma que el ajuste en un sistema de antena ha resultado mejorado o no.
2.4.2.4 Polarización.
Una onda tal como la mostrada en la Fig. 2-16 se dijo que está polarizada en dirección de las líneas de fuerza eléctricas. En el dibujo la polarización es vertical porque las líneas eléctricas son perpendiculares a la tierra. Una onda "con su pié en la tierra"
como es mostrada en la Fig. 2-16 es, en realidad, polarizada verticalmente. Esto es porque la tierra actúa en vez de un buen conductor, particularmente en frecuencias inferiores a 10 Mhz, y esto es una de las leyes de la acción electromagnética que las líneas eléctricas tocando la superficie de un conductor debe hacerlo perpendicularmente. Sobre un terreno semiconductivo hay quizá una inclinación (tilt) de la onda frontal; esta inclinación en las líneas eléctricas es tan grande como aumenten las pérdidas de energía en el terreno.
Las ondas que viajan en contacto con la superficie de la tierra son poco útiles en la comunicación porque conforme la frecuencia alcanza la distancia en la cual la onda de tierra viaja sin pérdida de energía o atenuación. La onda de tierra es más útil a bajas frecuencias y en las bandas de radiodifusión estándar. A altas frecuencias la onda alcanza la antena receptora y no ha tenido mucho contacto con la tierra y su polarización no es necesariamente vertical. Si las líneas eléctricas de fuerza son horizontales, se dice que la onda esta polarizada horizontalmente. Sin embargo, la polarización puede ser algo intermedio entre horizontal y vertical. En muchos casos, la polarización no esta fija pero rota continuamente. Cuando esto sucede, se dice que la onda está polarizada elípticamente.
2.4.2.5 Atenuación.
En el espacio libre la intensidad de campo de una onda, decrece directamente con la distancia desde la fuente. Esto es, si la intensidad de campo a 1 Km. de la fuente tiene un valor de 100 microvolt por metro, la intensidad a 2 Km. será 50 microvolt por metro, y a 100 Km. será de 1 microvolt por metro, y así sucesivamente. El decremento de la intensidad de campo es causado por el hecho de que la energía de la onda tiene que dispersarse a lo largo de las esferas conforme la distancia de la fuente se incrementa.
En la comunicación por radio la atenuación de la onda puede ser más grande que lo que indica la ley de distancia-inversa. Por una parte, la onda no está viajando en el espacio libre. Por otra, la antena receptora rara vez está situada en un lugar libre y en línea de vista entre la antena receptora y trasmisora. Dado que la tierra es esférica y las ondas no pueden penetrar su superficie hasta un punto considerable, la comunicación tiene que ser de tal manera que doble la onda alrededor de la curvatura de la tierra. Este medio existe, pero usualmente involucra pérdida de energía que incrementa la atenuación de la onda con la distancia.
2.4.2.6 Reflexión, Refracción y Difracción.
Se ha mencionado que las ondas de radio y la luz son del mismo tipo de onda; la única diferencia es la longitud de onda. Todos estamos familiarizados con la reflexión de la luz; las ondas de radio son reflejadas en la misma forma. Frecuentemente, sin embargo, la superficie de reflexión es pequeña (en términos de longitud de onda) comparada con la superficie en la cual las ondas de luz son reflejadas. Un objeto del tamaño de un automóvil, por ejemplo, no reflejará mucha energía en una onda de 80 metros. Por otro lado, este será un buen reflector de una onda de 2 metros en longitud.
El espesor de un objeto tiene alguna importancia porque las ondas penetran hasta cierto punto dependiendo de sus características. En un material de una conductividad dada, por ejemplo, ondas largas penetrarán más rápido que las cortas por lo que se requiere de mayor espesor para una buena reflexión. Un metal delgado es un buen reflector aún en longitudes de onda un poco grandes, pero en conductores pobres como la tierra, la cual cumple con el requerimiento de tener una gran superficie, las ondas de longitud larga pueden penetrar hasta un metro o más.
La reflexión siempre tiene lugar en cualquier superficie que represente un cambio en la constante dieléctrica o del medio en la cual la onda se esté moviendo. Cuando es visto de cierto ángulo, es prácticamente imposible ver a través de un espejo porque la luz es reflejada.
Otro fenómeno que es bastante familiar en óptica es la refracción, o el doblez que tiene lugar cuando la onda entra (en ángulo) a un medio que tiene diferente constante dieléctrica. Este doblez es causado por el hecho de que la onda viaja a diferente velocidad cuando se cambia de constante dieléctrica. La parte de la onda en un medio nuevo es primeramente desacelerada o acelerada (dependiendo de la constante dieléctrica relativa). El efecto es el cambio de dirección en el cual la onda se mueva. El ejemplo clásico en óptica es el lápiz que está parcialmente dentro de un vaso de agua.
En trasmisiones de radio es frecuentemente el caso en el que el límite entre dos áreas tiene diferentes constantes dieléctricas; la constante dieléctrica simplemente cambia gradualmente a lo largo de la distancia de la trayectoria de la onda. Esto causa un
doblamiento de la onda en forma también gradual, y la trayectoria de la onda viene a ser curva.
El fenómeno óptico menos familiar es la difracción. Un examen profundo demuestra que la luz se dobla en la orilla de un objeto en algún punto, dependiendo del grosor de la orilla. Este efecto viene a ser mayor conforme la longitud de onda se incrementa, y puede ser de importancia en radiofrecuencia. Por ejemplo, en ondas viajando en línea recta uno esperaría que una señal no se escuchara detrás de una montaña, pero el doblez causado por la difracción produce una señal en el "área obscura".
En radiofrecuencia la señal difractada es débil comparada con el rayo directo, y frecuentemente es enmascarada por señales fuertes que alcanzan el mismo punto por otros medios como reflexión o refracción en la atmósfera.
La reflexión y refracción tienen lugar en varias partes de la atmósfera, y el mecanismo por el cual ocurre es variado. La resultante es que las ondas de radios son "esparcidas"
al igual como la luz lo es en la atmósfera.
2.4.2.7 Onda de Tierra.
Las ondas viajan cercanas a la tierra en diferentes formas, algunas de las cuales están relativamente en poco contacto con la tierra. La selección de la nomenclatura apropiada viene a ser algo confuso, pero más o menos por acuerdo común el término onda de tierra (ground wave) es aplicado a ondas que están cerca de la tierra y no alcanzan el punto del receptor por reflexión o refracción de la más alta región de la atmósfera conocida como ionosfera. Las ondas de tierra por lo tanto pueden ser una onda viajando en contacto con
la tierra como la onda de la figura 2-1, o puede ser una onda que va directamente de la antena transmisora a la antena receptora cuando las dos antenas están lo suficientemente altas de tal manera que puedan verse la una a la otra. También puede ser una onda que es refractada o reflejada en la atmósfera cerca de la tierra (Troposfera).