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1. LOS SISTEMAS RADIOELECTRICOS

La radiocomunicación puede definirse como telecomunicaron realizada por medio de las ondas radioeléctricas. La unión internacional de telecomunicaciones (U.I.T), define las ondas radioeléctricas como las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo limite superior de frecuencia se fija, convencionalmente, en 3000 GHz.

La técnica de la radio comunicación consiste en la superposición de la información que se desea transmitir en una onda electromagnética soporte, llamada portadora. La inserción de esa información constituye el proceso denominado modulación. Como consecuencia del mismo, se genera una onda modulada, cuyo espectro contiene un conjunto de frecuencias en torno a la portadora. La onda modulada, se envía al medio de propagación a través de un dispositivo de acoplamiento con el medio denominado antena.

Los órganos de transmisión recepción y antenas, contribuyen positivamente a la radiocomunicación. El medio de transmisión introduce en cambio, perdida de diversos tipos de perturbaciones, tales como distorsión, ruido e interferencia.

Debido a las características de propagacion de las ondas radioeléctricas, es muy frecuente que en el receptor no estén presentes solo la señal procedente del transmisor, sino también diversas señales emitidas para otras fuentes. Se denomina a cada una de estas ultimas, señales no deseadas, entendiéndose como la perturbación debida al ruido, que puede ser de origen natural (radiación cósmica, ruido atmosférico) o artificial (ruidos originados por los sistemas de ignición de vehículos, entre otros).

El alcance útil o cobertura de una emisión radioeléctrica depende del tipo e intensidad de las perturbaciones. Asimismo, existe otro tipo de perturbación asociada a la prolongación de una onda radioeléctrica que es la distorsión generada por las anomalías en dicha propagacion, por ejemplo el fenómeno de multitrayecto. Esta distorsión puede degradar sustancialmente la señal e imposibilitar la recuperación de la información.

2. GESTIÓN DE LAS FRECUENCIAS RADIOELÉCTRICAS

La unión internacional de telecomunicaciones (U.I.T) se instrumenta mediante el reglamento de las radiocomunicaciones, donde se establecen los

mecanismos de coordinación internacional para la utilización de las frecuencias.

2.1. Atribución, adjudicación y asignación de bandas de frecuencias.

El espectro radioeléctrico de divide en bandas de frecuencias las cuales se asignan a los diferentes servicios radioeléctricos. Tales asignaciones las efectúa la U.I.T.

Los llamados planes de adjudicación en los que habilitan frecuencias para su utilización por los servicios de radiocomunicación terrenales o espaciales de uno o más países o zonas geográficas.

La banda de frecuencia asignada a una estación, es la banda de frecuencias en el interior de la cual se autoriza la emisión de una estación determinada.

2.2. Nomenclatura de las bandas de frecuencias.

El espectro radioeléctrico se divide en nueve bandas de frecuencias, que se asignan por números enteros, en orden creciente, de acuerdo con la

tabla N° 1 la unidad de frecuencia es el Hertzio (Hz) y las frecuencias se expresan:

 En Kilohertzios (Khz.) hasta 3.000 Khz.

 En Megahertzios (MHz.) por encima de 3.000 MHz, inclusive.

 En Gigahertzios (GHz.) por encima de 3 GHz, inclusive.

Para las bandas de frecuencias por encima de 3.000 GHz, conviene utilizar un Terahertzios (THz).

Suelen también utilizarse otras designaciones, como son:

 Nombres abreviados en ingles

 Designación métrica

 Abreviaturas de la designación numérica

En algunos textos del sector de radiocomunicaciones de la UIT (UIT-R) y la Unión Europea de Radiodifusión (U.E.R) relativos a radiodifusión y TV, se emplea la siguiente designación para las bandas atribuidas a estos servicios:

Banda I 41-68 MHz

Banda II 87.5-108 MHz

Banda III 162-230 MHz

Banda IV 470-582 MHz

Banda V 582-960 MHz

Tabla N° 1 bandas designadas por la UIT y la UER

En microondas, las primeras aplicaciones que se dieron, fueron en el desarrollo de la tecnología de “RADAR” durante la Segunda Guerra Mundial.

Para este efecto, el subespectro de las microondas se dividió en bandas de frecuencias que fueron asignadas con siglas y se llamaron “Bandas de Radar”.

Estas siglas o códigos tenían como finalidad, mantener en secreto el valor de la frecuencia de la banda respectiva debido a que el radar constituía una de las más sofisticadas armas de guerra. Por lo tanto, no hay un acuerdo en las siglas que representan estas bandas de radar.

En la tabla presentamos un ejemplo simplificado de una de estas bandas de radar. La cual es propuesta por la administración militar de los Estados Unidos como proyecto de unificación.

Banda

Frecuencias (GHz)

L 1-2

S 2-4

C 4-8

X 8-12

Ku 12-18

K 18-27

Ks 27-40

mm 40-300

Tabla N° 2: Nomenclatura de las bandas de frecuencias

3. PARAMETROS Y CARACTERÍSTICAS DE UNA RADIOCOMUNICACION.

3.1. Parámetros y características de Emisión

Clase de emisión: Se denomina clase de emisión, al conjunto de

características de una emisión como son el tipo de modulación portadora que transmite, etc.

Ancho de banda necesaria y ocupada: Se define la anchura de la banda

necesaria, como la anchura de la banda d frecuencias estrictamente suficientes para asegurar la transmisión a la velocidad de la transmisión y con la calidad requerida en condiciones especificas. Se define la anchura de la banda ocupada como la anchura de la banda de la frecuencia tal que, por debajo de la frecuencia limite inferir y por encima de su frecuencia limite superior, se emitan potencias medias iguales cada una a un porcentaje especificado.

Tolerancia de frecuencia de una emisión: es la desviación máxima

admisible entre la frecuencia asignada en el centro de la banda de frecuencias ocupadas por la emisión.

Emisiones no deseadas: son emisiones que se producen en un equipo,

como consecuencia de imperfecciones del mismo. Pueden controlarse, pero difícilmente suprimirse. Se clasifican en emisiones no esenciales y emisiones fuera de banda.

Potencia: La potencia de un transmisor radioeléctrico se especifica

según s la clase de emisión, en una de las formas siguientes: potencia de cresta, potencia media de la onda y potencia portadora. Existen también otros términos vinculados a la potencia radiada por un transmisor radioeléctrico, como lo son: la potencia isotropita radiada equivalente y la potencia radiada aparente.

Polarización de una onda: toda onda electromagnética se caracteriza

por su “polarización”, definida a partir de la orientación del vector campo eléctrico. Se distingue los siguientes casos:

 Polarizacion horizontal: El vector campo eléctrico se halla un plano horizontal.

 Polarización Vertical : El vector campo eléctrico se halla en un plano vertical.

 Polarizaron oblicua: El vector campo eléctrico tiene una inclinación de 45° respecto a la horizontal.

 Polarizacion circular: El extremo del vector campo eléctrico describe un círculo.

3.2. Parámetros y características de recepción

El parámetro primordial es la intensidad de campo o potencia recibida según la clase de servicio. En cuanto a la intensidad de campo, se definen dos términos:

Intensidad de campo mínimo utilizable: También llamado campo mínimo necesario o campo a proteger, que es el valor mínimo de campo que permite obtener una determinada calidad de recepción: depende de la sensibilidad del receptor, del rendimiento de la antena y del ruido natural o artificial.

Intensidad de campo utilizable: Que tiene en cuenta además del campo

mínimo, los efectos de las interferencias de otros transmisores, tanto las existentes en un caso real, como las previstas en una planificación.

Para frecuencias inferiores a 1 GHz, se especifica la señal en recepción en términos de la intensidad de campo eléctrico E en μV/m o dBu, esto es:

E(dBu) = 20log [ e (μV/m) ] (3.2)

Ya que en esas frecuencias se suelen emplear en recepción de antenas

“e” es la misma intensidad de campo eléctrico E pero en μV/m.

Para frecuencias superiores a 1 GHz, la especificación de la señal recibida se hace en términos de potencia recibida (dBW o dBm) o densidad de flujo de potencia (1 dBW/m² o dBm/m²), ya que denominan las antenas superficiales.

Condiciones de recepción: En la planificación y proyecto de sistemas

radioeléctricos, han de considerarse unas determinadas condiciones que dependen de: a) la instalación de recepción, b) las condiciones de explotación (zona, hora, época del año).

Interferencia: Se define la interferencia en radiocomunicación como el efecto de una energía no deseada debida a una o varias emisiones, radiaciones, inducciones o sus combinaciones ; sobre la recepción de un sistema de

radiocomunicación que se manifiesta como degradación de la calidad, falseamiento o perdida de la información que se podría obtener en ausencia de esta energía no deseada.

Relación de protecciones RF: Que se define como el valor mínimo

(generalmente expresado en decibelios) de la relación entre la señal deseada y la no deseada (interferencia) a la entrada del receptor, determinada bajo condiciones concretas, que permite obtener una calidad de recepción especificada de la señal deseada de la salida del receptor.

3.3. Características de propagacion

Las modalidades de una onda radioeléctrica dependen de su frecuencia y del tipo de características eléctricas del terreno subyacente. Según la frecuencia, pueden clasificarse los modos de propagacion como:

 Onda de superfice (OS). Para frecuencias inferiores a 30 MHz con largos alcances y gran estabilidad de las señales.

 Onda ionosférica (OI): Para frecuencias comprendidas entre 3 y 30 MHz.

 Onda Espacial (OE): Para frecuencias superiores a 30 MHZ. La propagacion se realiza a través de las capas bajas de la atmósfera terrestre (troposfera).

 Onda de dispersión troposferita (ODT): La propagacion por ODT se basa en las reflexiones difusas ocasionadas por discontinuidades debidas a variaciones turbulentas de las constantes físicas de la troposfera.

El medio influye en la propagacion de las ondas radioeléctricas a través de fenómenos físicos de:

 Reflexión

 Refracción

 Difracción

 Dispersión

El efecto a depender de la naturaleza del medio (tipo de terreno, atmósfera), así como de la frecuencia y polarizacion de la onda.

4. RADIOPROPAGACION

Las características de propagación de una onda depende de la situación del trayecto de propagacion respecto a los obstáculos, características eléctricas del terreno, propiedades físicas del medio y de la frecuencia y polarizacion de las ondas.

Se estudiaran diferentes modos de propagacion en función de las características del medio y de la frecuencia y se presentaran métodos básicos de predicción de la perdida básica de propagacion.

El terreno, la troposfera, la ionosfera, la lluvia, el granizo y la nieve, debido a sus características eléctricas, modifican la propagacion de la señal.

La influencia en los fenómenos naturales en la propagacion de las ondas de radio depende entre otras cosas, de la frecuencia de operación del sistema, la naturaleza física de la trayectoria seguida por la onda y la proximidad de las antenas a la superficie terrestre. Los efectos resultantes de la influencia de los diferentes factores en la propagacion de las ondas de radio se manifiestan como: reflexión, refracción, dispersión y difracción de las ondas.

En la figura N° 1 se ilustra los principales modos de propagacion y los factores más sobresalientes que afectan el modo de propagacion.

Figura N° 1: Principales modos de propagación

4.1. Influencia del terreno

Cuando el transmisor y el receptor están situados sobre la superficie terrestre y existe visibilidad directa (mutua) entre ambos, se modela la propagacion mediante un rayo directo y otro reflejado en el suelo figura N°2 dependiendo de la naturaleza del terreno, la frecuencia y la polarizacion de la onda, puede haber también una componente de onda de superficie.

Figura N°2: Modelo De Propagación Mediante Un Rayo Directo Y Otro Reflejado Al Suelo.

La expresión general del campo recibido, en estas condiciones viene dada mediante la llamada “ecuación generadle propagacion”:

e = e

[1+R.exp(-jΔ)+(1-R).A.exp(-jΔ)]

Donde:

e : intensidad de campo en recepción en las condiciones reales.

eo : intensidad de campo en condiciones de espacio libre R: coeficiente de reflexión en el suelo.

A: termino de atenuación de la onda de superficie.

De hecho la propagación por onda de superficie es una modalidad útil cuando: las alturas de las antenas son pequeñas en comparación con la longitud de la onda, están aproximadas al suelo y la frecuencia es inferior a unos 10 MHz.

4.2. Reflexión

Ocurre cuando una onda incidente no entra en el segundo material ( ver figura N° 3). Esta se asocia a un salto.

Figura N° 3: Reflexión de onda

Definiremos “coeficiente de reflexión” mediante la expresión:

(4.2.1)

Donde:

Ei: intensidad de voltaje incidente (volts) Er: intensidad de voltaje reflejado (volts) θi: fase incidente (grados)

θi: fase reflejada (grados)

Se puede hablar de varios tipos de Reflexión, tales como: Reflexión difusa, Reflexiones especulares y Reflexión de superficies semi-áspera.

 Reflexión Difusa (Principio de Huygens)

Ocurre cuando al frente de onda incidente golpea una superficie irregular o superficie de textura rugosa (mayor que λ ), y este hace que se disperse de forma aleatoria en muchas direcciones, siguiendo trayectorias divergentes. (λ : longitud de ondas.).

 Reflexiones Especulares

Se dan en superficie consideradas lisas, la onda se consigue con una interfaz suave entre dos medios diferentes. Esta reflexión es análoga a las imágenes de los espejos.

 Reflexión en superficie semi-áspera.

Es una combinación entre las Reflexiones difusa y especular. Este tipo de reflexión no destruye el frente de onda pero si disminuye la potencia total.

4.3.CARACTERÍSTICAS DEL SUELO

COEFICIENTE DE REFLEXION

Se caracteriza el terreno por los parámetros eléctricos de constante dieléctrica relativa, εr y conductividad σ (mhos/m). En recomendación UIT-R- PN527, se facilitan datos sobre esos parámetros.

Se define como la permeabilidad compleja del suelo como:

ε = εr-j60 σλ (4.3.1)

A partir de este parámetro, se define el parámetro z en función de la polarizacion de la onda, y del ángulo de incidencia ψ, del modo siguiente:

Polarizacion vertical:

(4.3.2) Posición horizontal:

(4.3.3)

5. MODELO DE PROPAGACIÓN DE TIERRA PLANA

Este modelo de propagación es aplicable a distancia cortas. Se pueden despreciar las curvaturas terrestres y con terreno liso. Para fr < 150 MHz, alturas reducidas y polarizacion vertical, hay que tener en cuanta el efecto de la onda de superficie. Esta es dominante para frecuencias inferiores a 10 MHz, polarizacion vertical y terreno buen conductor.

En la figura N° 4 se ilustra el esquema de rayos propios del presente modelo y parámetros asociados: ht y hr, alturas de las antenas transmisora y receptora, respectivamente; d, distancia y ψ, ángulo de incidencia.

FIGURA N°4 Modelo de propagación de tierra plana

Mediante consideraciones geométricas elementales, se obtiene:

Angulo de incidencia

(5.1)

Diferencia de trayectos

(5.2)

Diferencia de fase

(5.3) Modulo de campo eléctrico.

(5.4)

La ecuación 5.4 es la forma habitualmente utilizada para la propagación en condiciones de tierra plana. Para tener en cuanta el efecto de la onda de superficie, puede utilizarse un método alternativo y que consiste en la utilización de la ecuación del modulo de campo, pero sustituyendo las alturas físicas de las antenas ht y hr por otras ficticias ht’ y hr’ definidas como sigue:

h

’=( h

+ h

)

h

’=( h

+ h

)

Donde se calcula así:

Polarizacion horizontal (5.7)

Polarizacion Vertical (5.8)

Se considera una antena transmisora (Tx) con un diagrama de radiación Ft(Φ) a una altura “hr), separadas entre si, a una distancia “d” bajo condición de tierra plana. La señal resultante en la antena receptora se puede expresar como la suma de las Ondas Directas (OD) y Reflejadas(OR).

Donde el campo eléctrico resultante viene dado por:

E

= E

(1 + Re

)

Donde:

Re^-jδ: Contribución de la onda reflejada

Eo: Intensidad de campo en el espacio libre.

R: Coeficiente de reflexión.

δ: Diferencia de fase entre OD y OR.

Donde:

(5.10)

para las antenas muy alejadas una a la otra Ft(Φ) = FR (Φ) = 0 y el coeficiente de reflexión se aproxima a -1. bajo consideraciones:

e

= 1 – jsinδ

Como δ es pequeño, se puede emplear la relación de Euler, quedando:

(5.12)

(5.13)

La ecuación 5.13 expresa que la intensidad de campo recibido es directamente proporcional a la altura de las antenas e inversamente proporcional al cuadro de la distancia entre ellas.

 Cuando se mantiene constantes las alturas de las antenas, la intensidad de campo recibida oscila alrededor de la intensidad de campo en el espacio libre, es decir, (Eo/d) hasta una distancia d’=(12hthr)/λ, para distancias mayores que d’, el campo es menor que en el espacio libre, ya que el ángulo de incidencia se hace tan pequeño que las ondas tienden a llegar en contratase.

En la ecuación 5.13, si se mantiene constante la distancia y la altura de la antena transmisora(o receptora), la intensidad de campo recibida es función de la altura de la antena receptora (o transmisora). Alcanzara valores máximos y mínimos según la interferencia de las ondas OD y OR (Ver figura N°5).

Figura N°5 Intensidad De Campo Eléctrico En Función De La Altura De La Antena Receptora.

FUENTE: Radiación y propagación. Ana Valera, 1999.

6. MODELO DE PROPAGACIÓN POR ONDA DE SUPERFICIE

La onda de superficie es el modo de propagación dominante en funciones bajas, entre 10KHz y 10MHz para las alturas de antenas pequeñas.

La onda de superficie contornea los obstáculos con perdida moderadas por efecto de la difracción, que es muy intensa en estas frecuencias. Como consecuencia de ello, se ve poco afectada por la curvatura de la tierra. El efecto favorable de la difracción para la propagación, se reduce al aumentar la frecuencia. Como en caso también crecen las perdidas, el alcance disminuye.

Para estas gamas de frecuencias y las alturas de las antenas utilizadas, al coeficiente de reflexión es R = - 1 y el desfasamiento Δ = 0, por lo que la ecuación de la propagación general se reduce a:

e = 2 .a. e

El factor 2.a se expresa la atenuación de la onda de superficie, cuyo valor en dB es A = 20log [1/2|a|]. Este factor varia con la frecuencia, tipo de terreno y con la distancia.

Las antenas utilizadas en las radiocomunicaciones por la onda de superficie son monopolos, las curvas se han normalizado para un PRAVC de 1

Kw las curvas proporcionan la intensidad de campo en dBu en función de la distancia.

Para frecuencias bajas y distancias pequeñas, el comportamiento de las onda de superficie es el correspondiente el terreno ideal; el campo varia en forma inversamente proporcional a la distancia. A frecuencias mayores, la variación tiende a seguir la ley 1/d².

El terreno desde el punto de vista eléctrico se caracteriza por su conductividad (σ), su permitividad (ε) y su permeabilidad (μ). La onda de tierra viaja por la superficie terrestre (onda superficial), debido a que la tierra posee resistencia y perdidas dieléctricas, la onda acentúa conforme se propaga:

 Entre los terrenos que son buenos conductores podemos mencionar:

agua salada, áreas desiertas muy áridas.

 Entre los usos mas comunes están: transmisiones barco a barco, barco a tierra, radio navegación, marítimas móviles, etc.

Desventajas:

 Se requieren potencias relativamente altas para la transmisión.

 Como utilización principal es para frecuencias muy bajas (VLF, LF, MF), las antenas requeridas son muy grandes.

 Las perdidas por tierra varían considerablemente con el material de la superficie.

Ventajas:

 Se pueden hacer comunicaciones a cualquier parte del mundo.

Ejemplo de esto son los radioaficionados.

 Las ondas no son afectadas por condiciones atmosféricas.

7. MODELO DE PROPAGACIÓN DE TIERRA CURVA

Se aplica este modelo para longitudes de enlace tales que las flechas debidas a la curvatura terrestre son superiores a unos 5 mts. Suele ello corresponder con longitudes del orden de la distancia de visibilidad radioeléctrica o mayor. Supondremos una tierra lisa, grandes lagos o llanuras con terreno muy poco ondulado.

 Distancia de visibilidad

Se llama distancia de horizonte de una antena, a la distancia entre el pie de la antena y el punto S de tangencia con la superficie terrestre de un rayo trazado desde la antena. Se llama distancia de visibilidad radioeléctrica para dos antenas a la suma de sus distancias de horizonte. (Ver figura N°6).

FIGURA N°6: distancia de visibilidad radioeléctrica para dos antenas

La distancia de visibilidad para k = 4/3 seria:

(7.1)

 Modelo de reflexión

En la figura N°7 se representa un trayecto de propagación por reflexión sobre tierra curva.

FIGURA N°7 Propagación por reflexión sobre tierra curva

Los datos necesarios para el calculo son: la longitud del enlace d(km), las alturas absolutas de las antenas sobre el nivel del mar (ht, hr) y el factor k del radio terrestre.

d = d1 + d2 (7.2)

(7.3)

(7.4)

(7.5) A partir de d1 y d2 se calculan las alturas sobre el plano tangente a la tierra en el punto de incidencia, mediante:

(7.6)

El ángulo de incidencia es:

(7.7)

El ángulo entre el rayo directo y el plano tangente es:

(7.8)

El coeficiente de reflexión efectivo pasa a ser:

R

= R . D

Donde R es el coeficiente de reflexión complejo y D es llamada factor de divergencia, dado por:

( D < 1 ) (7.10) (Distancias en km y ht’ en m)

Diferencia de trayectos Δl:

(7.11)

Por lo tanto, el ángulo de desfasamiento es:

(7.12)

La perdida básica de propagación, en dB, será:

L

= L

– 10log [1 + (D. |R| )

+ 2D.|R| cos ( β + Δ )]

Donde el modulo |R| = 0.805 y la fase β = - 167.74°(-2.928rad)

8. MODELO DE PROPAGACIÓN POR DIFRACCION

La difracción de las ondas de radio ocurre la trayectoria de propagación esta obstruida. La severidad de la atenuación depende si la obstrucción se extiende a través de toda la trayectoria, si esta por encima de la línea de vista o por debajo.

Este fenómeno permite que las ondas de radio se propaguen alrededor de las superficies curvas o agudas, lo que permite obtener recepción en zonas que no poseen visibilidad con la antena transmisora (Zona de sombra), es decir, permite que las ondas de luz o de radio se propaguen a la vuelta de la esquina.

La difracción ocurre debido a que al incidir una onda electromagnética sobre una superficie, esta induce corrientes que fluyen a lo largo de la superficie y guían la energía electromagnética a lo largo de ella.

El campo tanto en la región por encima de la línea visual como por debajo, decrece a medida que el punto de recepción penetra en la zona de difracción.

Los casos mas importantes de difracción son:

 Causados por la curvatura de la superficie terrestre

 Causados por obstrucciones (Difracción Filo de Cuchillo).

Zonas de Fresnel

Las zonas de fresnel son elipsoides concéntricos formados por la revolución de la figura N° 8 alrededor del eje transmisor – receptor. Sus focos son los puntos del transmisor y receptor y el n-esimo elipsoide es el lugar geométrico de los puntos An que cumplen la condición ver figura N°8. las secciones de los elipsoides normales al trayecto de propagacion TR, son círculos concéntricos.

FIGURA N°8: ANILLOS DE FRESNEL

Cada anillo define y delimita una zona de fresnel.

Los radios de los anillos cumplen la condición:

TA

R-TR = nλ/2

De done se deduce:

(8.2)

d₂ d1

A1 R1

T R

R_n A_n

En unidades prácticas resulta:

(8.3)

donde:

Rn: radio de la n-esima zona de Fresnel (m) F: frecuencia (MHz)

d1: distancia del transmisor al plano considerado (km) d2: distancia del plano considerado al receptor (km).

d: distancia transmisor – receptor (km).

Se aplican estos principios a la propagación troposferita cuando el trayecto de la onda pasa cerca de un obstáculo o, incluso, esta obstruido por uno o mas obstáculos, como pueden ser la protuberancia de la tierra, accidentes del terreno, árboles, edificios, etc.

El análisis de la influencia de obstáculos se realiza mediante los elipsoides de Fresnel, considerándose que la propagación se efectúa en condiciones de visibilidad directa si no existe ningún obstáculo dentro del 1er elipsoide.

9. DIFRACCION EN OBSTACULOS

La predicción de las perdidas se efectúa por separado, según se trate de obstáculos aislados o múltiples.

9.1.Obstáculo Aislado.

El modelo de obstáculo aislado resulta aplicable a la trayectoria que, es de visibilidad directa. Según la recomendación U.I.T, se distingue dos casos de obstáculos aislado: obstáculo agudo y obstáculo redondeado.

 Obstáculo agudo: los parámetros geométricos básicos para el estudio del obstáculo agudo, son: despojamiento h, distancia d1 d2 a los extremos del enlace y, alternativamente, ángulo de difracción θ.

El calculo de la atenuación por difracción esta resuelto mediante las integrales de Fresnel.

Figura N° 9 Parámetros Geométricos Básicos Para El Estudio Del Obstáculo Agudo

 Obstáculo Redondeado: Los parámetros geométricos que intervienen en el calculo de la difracción en este caso, son las siguientes:

a) longitud de enlace, d(km).

b) distancia del transmisor y receptor a sus horizontes respectivos: dht.

c) altura de los puntos de horizonte: zht y zhr en mt.

d) Angulo de difracción, θ en (mrad).

e) radio de curvatura del obstáculo: r, en (km).

f) altura h del punto p de intersección de las visuales trazadas desde el transmisor y receptor a sus respectivos horizontes, con respecto a la línea TR.

Figura N° 10: geometría de Obstáculo Redondeado

9.2.Dos Obstáculos Aislados

El cálculo de la atenuación para dos obstáculos aislados se realiza mediante una integral doble.

La elección de los modelos se basa en la situación del rayo TR respecto a los obstáculos. A continuación se presentan tres casos posibles y los modelos aplicables a cada uno.

 Método EMP

Se aplica este método cuando el rayo TR no corta ningún obstáculo, si no existe despojamiento insuficiente en ambos.

(figura N° 11)

Figura N° 11: Difracción en dos Obstáculos con despojamiento insuficiente en ambos

 Método Wilkerson.

Resulta aplicable cuando el rayo corta a un obstáculo y existe despejamiento insuficiente en el otro. (figura N° 12).

o₂ o₁

h2

h1

0

R

T

x₂

x₁ d

0

h1

o₂

o₁

x1 x

2 d

R T

h2

Figura N°12: Difracción en dos obstáculos con despojamiento insuficiente en un solo obstáculo.

 método Epstein – Peterson.

Se utiliza este método cuando el rayo corta a los dos obstáculos. El método resulta apropiado cuando las perdidas de cada obstáculo son similares. Si un obstáculo es claramente dominante, es mas conveniente utilizar el método de Wilkerson (figura N° 13).

Figura N°13: Difracción en dos Obstáculos

9.3.Múltiples Obstáculos.

s2

s1

0 x₁ x₂

o1

h₁

h₂ R

T

o2

d s3

El método de tratamiento de múltiples obstáculos que propone la Recomendación U.I.T es una extensión del método Epstein – Peterson. En la figura N° 14 se presenta la geometría genérica del modelo.

Figura N°14: Difracción en Múltiples Obstáculos

10.DIFRACCION SOBRE TIERRA ESFERICA

Se produce esta modalidad de propagación cuando el rayo discurre por encima de un terreno liso o muy poco ondulado (llanuras, mar, lagos), con despojamiento insuficiente o incluso alguna obstrucción por la redondez de la tierra.

Cuando la distancia “d” entre antenas transmisora y receptora es mayor que la expresión dad en la ecuación: d[km] ≤ 10λ^⅓[mts], la intensidad de campo eléctrico recibido es diferente al calculo en la sección 2.5, la esfericidad de la tierra influye en la propagación troposferita de diversas formas. Primero la dificultad para expresar la diferencia de trayectoria entre la onda directa y la onda reflejada en función de las alturas ht , hr y la distancia horizontal entre antenas (ver figura N°15).

Figura N°15: Difracción sobre Tierra Esférica

Segundo, la onda reflejada diverge mas (ver figura N°16) y es mas débil que la de tierra plana, según un facto de divergencia D menor que la unidad, por lo que el campo eléctrico tendrá la forma de la ecuación (10.1) pero tomando en cuanta este factor, es decir:

E

= E

(1+RDe

)

Figura N°16: Onda Reflejada

11.INFLUENCIA DE LA TROPOSFERA EN LA PROPAGACION

La troposfera es la parte mas baja de la atmósfera. Se extiende desde la superficie terrestre hasta una altura que oscila entre 8 km en los polos y 18 km en el ecuador (tomándose 13 km en promedio). Esta región se caracteriza por que la presión, la humedad y la temperatura varían con la altura, siendo la refracción el mecanismo principal de propagación.

La troposfera ejerce una influencia notable en la trayectoria de las ondas de radio de frecuencias superiores a los 30MHz, en las cuales las señales por la onda superficial no se pueden utilizar por que la amplitud de la señal se atenúa muy rápidamente, y la propagación por onda ionosférica no es factible por ser la ionosfera permeable a estas frecuencias.

En un sistema de comunicaciones por onda Troposferita, la señal radiada por la antena transmisora (Tx) puede llegar a la antena receptora (Rx) a través de los siguientes caminos, según sean las características del enlace:

 Una Onda Directa (OD) y una Onda Reflejada (OR).

 Por dispersión.

 Por difracción.

Es decir, gráficamente:

Figura N° 17: Sistemas de Comunicación por Onda Troposferica

OR OD

Nota: cuando se usa el termino de “Onda Espacial”, se refiere ala onda formada por la suma de la Onda Directa y la Onda Reflejada.

La troposfera se caracteriza por un decrecimiento constante de la temperatura y de la presión con la altura. El índice de refracción (n) es el parámetro que mas afecta directamente a la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, y como sabemos este parámetro depende de:

 La densidad del aire en la atmósfera.

 La humedad relativa.

 La temperatura.

Esta capa ejerce una influencia notable en la trayectoria de las ondas de radio en el rango de VHF, UHF, y SHF, manteniéndose los efectos sobre estas ondas como:

 La propagación debido a la superficie de tierra.

 refracción por la troposfera.

 Difracción por obstáculos.

 Dispersión y desvanecimiento.

La propagación por onda troposferita ocurre cuando las antenas están situadas a una distancia de mas de una longitud de onda de la superficie terrestre, y la direccionalidad de sus diagramas de radiación es que tal que, el camino recorrido por la señal esta dentro de la troposfera.

11.1. Refracción.

La refracción es el cambio de dirección de un rayo conforme pasa oblicuamente de un medio a otro (ver figura N° 18), produciéndose un cambio en la velocidad de propagación de la onda ( esta velocidad es inversamente proporcional a la densidad del medio en el cual se esta propagando). La refracción se puede asociar a un doblamiento.

θ_r θ_i

Medio # 2 (Mas denso) Medio # 1

(Menos denso)

Rayos Refractados Rayos

Incidentes

Figura N° 18: Refracción de Onda

11.2. Incide de Refracción

El índice de refracción de la troposfera, n, es función de la presión atmosférica p(mbar), la presión del vapor de agua e(mbar) y la temperatura absoluta T(°K).

La recomendación UIT-R-PN 453, proporciona el siguiente valor de coindice o refractividad, N. en función de los parámetros físicos de la troposfera p, e, T:

(11.2.1)

En condiciones normales de presión, temperatura y humedad: p = 1.013 mb; e = 10.2 mb; T = 290°K, se tiene:

N = 316 n = 1.000316

Como características físicas de la atmósfera varían con la altura sobre el suelo, también lo hará el índice de refracción.

11.3. Geometría del Trayecto respecto al suelo.

Se estudia la influencia de la refractividad sobre la situación del trayecto radioeléctrico respecto al suelo, utilizando el modelo de la figura N° 19 en el que, para mayor sencillez, consideraremos una superficie terrestre lisa.

Figura N°19: Refractividad con Respecto al Suelo

Fe(x)

P

C_R(x)

h(x)

0 x Q d-x

R

T

S

Se denomina protuberancia de la tierra o flecha fE a la elevación de la superficie terrestre sobre la línea horizontal que une los pies de las antenas transmisor y receptor.

Se denomina despojamiento para un punto S del trayecto, a la distancia vertical PS entre ese punto y la superficie terrestre.

A la tierra con radio k. Ro se le llama “tierra ficticia” y el parámetro k se denomina factor de modificación del radio terrestre.

Según los valores de k, se clasifica la troposfera en:

1. conductividad, k<0 2. sub – refractiva, 0≤ k < 1 3. normal, 1≤ k < 4/3

4. Super – refractiva, k>4/3

Cuando entre el transmisor y el receptor, el terreno no es liso, sino que tiene un perfil determinado, las variaciones de k también produce una modificación de las alturas del perfil con la consiguiente influencia en el

despojamiento. En el caso de la troposfera “conductividad”, k es negativo lo que corresponde a gradientes de refractividad menores que – 157.

11.4. PROPAGACIÓN POR DISPERSION TROPOSFERICA

La dispersión se origina en las heterogeneidades o fluctuaciones del índice de refracción de la atmósfera, las que hacen que la energía que atraviesa la troposfera por encima de la intersección de las líneas del horizonte se dispersan hacia zonas de sombra, lográndose enlaces con alcance máximo de 600 Km.

Generalmente ocurre en todas direcciones y solo una pequeña parte de la potencia transmitida alcanza el lugar de recepción. Por lo tanto, las antenas deben de tener alta ganancia para mantener la potencia del transmisor dentro de limites razonables.

La dispersión difiere de los fenómenos electromagnéticos debido al hecho de que una onda de dispersión se caracteriza generalmente por un frente

de onda no uniforme, producto de las corrientes inducidas en el volumen de dispersión y que actúan como fuentes secundarias.

La propagación por dispersión troposferita constituye una modalidad de transmisión en frecuencias superiores a unos 100MHz que se produce como consecuencia de efectos dispersivos ocasionados por irregularidades troposferitas, las cuales provocan la vuelta a tierra de energía radioeléctrica lanzada hacia la troposfera, cubriéndose una distancia superior a la del horizonte radioeléctrico se ha comprobado que, para las distancias iguales a las del horizonte y superiores, los mecanismos de propagación son la difracción y la dispersión. Sin embargo, la atenuación por difracción aumenta muy rápidamente cuando lo hace la distancia, por lo que mucho mas allá del horizonte solo queda como posible mecanismo la dispersión.

No parece existir todavía una teoría firme que explique esta modalidad de propagación. Se ha supuesto que la dispersión tiene lugar en el llamado

“volumen común” formado por la intersección de los haces de las antenas de transmisión y recepción (Figura N° 20).

Figura N° 20: Radioenlace Troposferico

Las señales recibidas por la dispersión troposferita presentan una alta variabilidad temporal, por lo que es habitual estimar la distribución de la perdida básica de transmisión mediana horaria para porcentajes de tiempote no rebasamiento superiores al 50% que designaremos por Lb(q).

Para frecuencias comprendidas entre 0,2 y 5 GHz, el valor de Lb(q) es:

Lb(q) = M + 30log(f) + 10log(d) + 30log(θ) + Lc + LN – Gt – Gr – Y(q) (dB).

(11.4.1) donde:

f: frecuencia (MHz).

d: distancia (km).

θ: ángulo de difracción (mrad)

Lc: perdida de acoplamiento entre la antena y medio, que se evalúa mediante la expresión:

Zona de dispersión

T R

d

Lc = 0,07 . exp[0.055(Gt + Gr)] dB (11.4.2)

Gt, Gr (dB): ganancias de las antenas de transmisión y recepción.

LN: termino que incluye la dependencia de la perdida de propagación con la altura del volumen común de dispersión y cuyo valor es:

LN: 20log(5 + γH) + 4,34γh (dB) (11.4.3)

H = 10^-3.θd/4 (km) h = 10^-6. θ² (kR0)/8 (km)

M y γ son parámetros estructurados metereologicos y atmosféricos, cuyos valores se dan en la tabla N°3, en función del tipo de clima.

q c(q)

50 0

90 1

99 1,82

99.9 2,41

99.99 2,90

Tabla N° 3: valores de c(q)

La recomendación U.I.T del CCIR distingue los siguientes tipos de clima para el estudio de la propagación:

Tipo 1: Clima ecuatorial: regiones comprendidas entre 10°N y 10°S.

temperaturas elevadas y alto grado de humedad.

Tipo 2: Clima continental subtropical: regiones comprendidas entre 10°

y 20° de latitud. Inviernos secos y veranos lluviosos.

Tipo 3: Clima marítimo subtropical: regiones comprendidas entre 10° y 20° de latitud, sujetas a la influencia de los vientos monzonicos.

Tipo 4: Clima desértico: Zonas situadas en periferia de zona desértica, entre 30° y 40° de latitud y próximas al mar. Temperaturas relativamente altas, moderadas por la presencia del mar.

Tipo 6: Clima continental templado: Regiones comprendidas entre 30° y 60° de latitud. Acusadas variaciones diurnas y estacionales de las condiciones de propagación.

Tipo 7a: Clima marítimo templado. Zonas terrestres: Regiones situadas entre 30° y 60° de latitud, donde los vientos dominantes llevan la humedad tierra adentro.

Tipo 7b: Clima marítimo templado. Zonas marítimas: Zonas costeras y marítimas en regiones similares a las del clima 7a.

12. ATENUACION POR VEGETACION

Cuando el receptor de un sistema de radiocomunicación se encuentra en el interior de un terreno boscoso, hay una perdida adicional por penetración de las ondas a través de la vegetación. Para su elevación, la recomendación U.I.T recomienda las curvas de la figura N° 21 que proporciona la atenuación específica, o atenuación por unidad de longitud, en función de la frecuencia y de la polarizacion.

Figura N°21: Curvas Por Atenuación Por Unidad De Longitud

13. ATENUACION PPOR GASES Y VAPORES ATMOSFERICOS

En trayectos troposfericos, las moléculas de O2 y H2O, absorben energía electromagnética, produciendo una atenuación que puede ser muy elevada en ciertas frecuencias. Esta atenuación adicional solo tiene importancia en frecuencias superiores a 10 GHz.

Frecuencia (MHz) A: Polarizacion Vertical B: Polarizacion Horizontal 0,4

0,3 0,2 0,1

0

30 50 100 200 500 1000 2.000 5.000 10.000

dB/m

14. ATENUACION POR LLUVIA

En los enlaces troposfericos y por satélite, existe también una componente de atenuación debida a la absorción y dispersión por hidrometeoros (lluvia, nieve y granizo). En general, para los cálculos de disponibilidad de radioenlaces, solo es necesario evaluar la atenuación por lluvia excedida durante porcentajes de tiempo pequeños y para frecuencias superiores a unos 6 GHz.

15.PRESENTACION DE LOS PERFILES

La representación de los perfiles del terreno se efectúa llevando las cotas de los puntos sobre una línea de base o “curva de altura cero) parabólica, que representa la curvatura de la tierra ficticia con radio kRo.

Tradicionalmente, los perfiles se representan a partir de datos obtenidos manualmente de mapas topográficos.

Para el estudio de perfiles y aplicación de métodos de predicción de propagación resulta fundamental la elección del “paso de muestreo” Δ, que es la distancia entre vértices consecutivos. El paso de muestreo es función de los siguientes parámetros:

 Orografía del terreno.

 Capacidad de almacenamiento.

 Resolución y precisión deseada.

 Tiempo de cálculo.

16. METODOS EMPIRICOS DE PREDICCION DE PROPAGACIÓN

Los métodos empíricos de atenuación de propagación expuestos hasta ahora requieren el conocimiento del perfil del terreno entre el transmisor y el receptor y resultan muy idóneos para enlaces punto a punto. Cuando se trata de radiocomunicaciones zonales, de punto a zona, existe, en general, una gran variabilidad de los trayectos de propagación.

El estudio de la propagación suele entonces efectuarse analizando perfiles alo largo de radiales trazados desde el transmisor, para distancias direccionales acimutales. Es habitual trabajar, como mínimo, con 12 radiales.

16.1. Métodos de la recomendación UIT-R PN 370

Se recomienda este método a partir de numerosas mediciones efectuadas sobre trayectos terrestres apara climas templados. Las mediciones se redujeron a curvas de propagación normalizadas. Las curvas están destinadas principalmente a la planificación de los servicios de radiodifusión sonora y TV.

Las curvas incorporan como parámetro la llamada “altura efectiva” de la antena transmisora, que se define como la altura del centro de radiación de la antena sobre el nivel medio del terreno entre 3 y 15 Km desde el transmisor hacia el receptor (figura N° 22). La altura de la antena receptora se define con respecto al terreno local.

Figura N°22: Curvas Por Altura Efectiva

Otro parámetro es la “ondulación del terreno” que se designa por Δh. Se define Δh como la diferencia ente las alturas superadas por el 90% y el 10%

del trayecto, entre las distancias d1 y d2 desde el transmisor hacia el receptor.

C(o)

ht h

ef

hm

15 3

Figura N° 23: Curvas Por “Ondulación Del Terreno”

17. DESVANECIMIENTO

Se conoce con el nombre de desvanecimiento a toda disminución de la potencia recibida de señal con relación a su valor nominal. La diferencia entre este nivel nominal y el nivel recibido en condiciones de desvanecimiento se llama profundidad de desvanecimiento y se expresa en dB. Al intervalo de tiempo que media entre la disminución y la recuperación del nivel nominal, se le llama duración del desvanecimiento.

Se llama depresión de la mediana o depresión de Pearson a esta disminución del valor mediano que acompaña a los desvanecimientos intensos.

Δh C

10 Km 50 Km

10%

90%

17.1. Clasificacion de los desvanecimientos

En la tabla que sigue se ofrece una posible clasificación de los desvanecimientos según diversos parámetros.

Características Tipo de desvanecimiento

Profundidad Profundo

(~3dB)

Muy profundo (>20dB)

Duración Lento Rápido

Características Espectral Plano Selectivo Mecanismo de

Producción

Factor k Multitrayecto

Distribución Probabilística

Gaussiano Rayleigh/Rice

Dependencia Temporal Continuado Puntual Tabla N°4: Curvas por “ondulación de terreno”.

1. Desvanecimiento muy profundo: Es el que suele ser selectivo, se produce por interferencia por interferencia multitrayecto y se modela mediante una distribución de Rayleigh.

2. Desvanecimiento plano: es cuando la caída de nivel afecta po igual a todas las componentes del espectro de una portadora modulada. En cambio, los desvanecimientos selectivos producen distorsión en el espectro de la señal modulada, al afectar de modo diferente a unas frecuencias y a otras.

3. Desvanecimiento “de potencia” o “de factor R”: son los producidos por variaciones del índice de refracción troposferita que, al aumentar la curvatura aparente de la tierra, reducen el margen libre de obstáculos.

4. Desvanecimiento multitrayecto: es consecuencia de la interferencia entre componentes de señal que se propagan por caminos diferentes. Se deben a reflexiones ya sean en el suelo o en capas atmosféricas como consecuencia, en este último caso, de discontinuidades en el índice de refracción de la troposfera.

5. Desvanecimiento por reflexión en el suelo: E s cuando el trayecto discurre sobre un terreno despejado en el que pueden darse condiciones para las existencias de rayo reflejado y si la longitud es pequeña, puede llegar a ser dominante el desvanecimiento debido a la reflexión en el suelo.

Como función de de transferencia del trayecto depende de la frecuencia, la reflexión en el suelo constituye un ejemplo de desvanecimiento selectivo.

6. Desvanecimiento selectivo: se caracteriza por que, cuando existe, la función de transferencia del medio de propagación varia con la frecuencia, lo cual produce una distorsión de amplitud y fase en las señales transmitidas que incide notablemente sobre la calidad de recepción.

Obstáculo redondeado

Para la aplicación de las formulas de difracción sobre obstáculo redondeado, hay que evaluar r y h. suponemos conocidas las alturas de las antenas transmisoras y receptoras sobre el nivel del mar, z(0) y z(d), donde z(0) = c(0) + ht y z(d) = c(d) + hr. Sea además R = k . R0 (k, factor de corrección del radio terrestre R0).

(1)

Donde θ es el ángulo de difracción:

(2) La altura h(m) se calcula como sigue:

(3)

Donde xp es la abcisa del punto P, dada por:

(4) Y el ángulo β(mrad) es:

(5) Los parámetros radioeléctricos para el cálculo de la difracción son:

(6)

n = 4,787 . 10

. h . f

. r

Donde las distancias y el radio r están en Km., la altura en mt y la frecuencia f, en MHz.

En m pueden sustituirse, sin demasiado error, las distancias dht y dhr por d1 = xp y d2 = d – xp . La atenuación por difracción para los obstáculos redondeados viene dada por:

A = L

(v) + T(m,n)

Donde LD(v) se evalúa mediante

y T(m,n) viene dada por:

T(m,n) = k.m

Siendo:

K = 8,2 +12.n

y:

b = 0,73 + 0,27. [1 – exp (-1,43.n)]

Para este tipo de obstáculo se trabajo con el ejemplo del libro de

“transmisión de radio” de José Maria Hernando Rábanos (Pág. 165).

El ejemplo es como sigue:

Supongamos un radioenlace a f = 900MHz, con las siguientes características:

 Longitud: d =30 km.

 Alturas absolutas de las antenas:

o Transmisor z(0) = 950 mt.

o Receptor z(d) = 965 mt.

 Distancia de horizonte:

o d^ht = 9,3 km o d^hr = 17,2 km.

 Alturas de horizonte:

o Z^ht = 974,5 mt.

o Z^hr = 980 mt.

Aplicando las expresiones (1) a (5), tenemos, sucesivamente:

 Angulo de difracción:

 Radio de curvatura del obstáculo:

 Angulo β:

 Distancia xp:

 Altura h:

Los parámetros radioeléctricos son (ecuaciones (6) y (7)):

n = 4,787.10

.25.900

. 977

= 1.117

Aplicando (10) y (11), resulta:

k = 21,60 y b = 0,945

La expresión (9) proporciona el valor:

T(m,n) = 14,6 dB

Mediante ( ) calculamos v:

Utilizando ahora ( ) se tiene:

L

(v) = 12dB

Por tanto, la atenuación debida al obstáculo redondeado es:

A = 12 + 14,6 = 26,6