Propagación
de las ondas
1 Ondas aéreas
Son aquellas que parten de la antena del emisor y llegan hasta la
antena del receptor a través del propio aire pero sin llegar a la
ionosfera. Según su trayectoria pueden ser: Ondas directas, reflejadas y
otras influenciadas por ciertos efectos como
son por refracción troposférica o por difracción.
1.1 Onda directa
Tocar terreno ni ionosfera. La atenuación es mínima, siendo únicamente la que
se produce porel espacio abierto o agentes meteorológicos (lluvia, nieve,)
Es la típica de frecuencias superiores a 30MHz (V-U-SHF).
Un claro ejemplo lo tenemos en los emisores de radiodifusión FM y TV, en los
que para conseguir máximas distancias es imprescindible tener la antena emisora
lo más alta posible (o ubicaciones de repetidores o reemisores en cotas altas del terreno). Otro
ejemplo lo tenemos en los radioenlaces de microondas (SHF o frecuencias
>3GHz) en los que es imprescindible que haya visión directa para
establecerse la comunicación.
Figura 6: Ondas directas
Fuente: https://ea7oc.ea7urc.org/aereas.htm
2 Onda reflejada
Llega al receptor después de reflejarse en la tierra
(o mar). Sufre gran atenuación por la propia naturaleza del terreno y depende mucho de éste. En
ocasiones favorece el establecimiento de la comunicación a largas distancias.
Figura 7: Ondas reflejadas
Fuente: https://ea7oc.ea7urc.org/aereas.htm
3 Refracción Troposférica
Cuando una capa de aire frío se encuentra entre dos capas de aire
caliente, puede ocurrir que la onda de refracte, esto es, que modifique su
trayectoria.
Figura 8: Ondas troposféricas
Fuente: https://ea7oc.ea7urc.org/aereas.htm
4 Difracción (filo de la navaja)
Cuando entre el emisor y el receptor se encuentra una montaña o cordillera,
puede ocurrir que las ondas modifiquen su trayectoria debido a la naturaleza
del terreno (temperatura, humedad, etc) consiguiéndose incluso, niveles de
ganancia, en lugar deatenuaciones.
Figura 9: Ondas de difracción
Fuente: https://ea7oc.ea7urc.org/aereas.htm
5 Ondas de radio u ondas hertzianas.
Las ondas de radio u ondas Hertzianas son ondas electromagnéticas. Como una onda de radio es
una vibración, al cabo de un período, la onda habrá recorrido una distancia
llamada longitud de onda. La longitud de onda es una característica esencial en
el estudio de la propagación; para una frecuencia dada depende de la velocidad
de propagación de la onda.
El ámbito de las frecuencias de las ondas de radio se extiende de algunas
decenas de kilohertzios hasta los límites de los infrarrojos.
Las siguientes son abreviaciones para rangos de frecuencias de radio: ELF
(Extremely low frequencies) de 30 a 3000 Hz, VLF (very low frequencies) de 3 a
30 KHz, LF (low frequencies) de 30 a 300 kHz, MF (medium frequencies) de 0.3 a
3 MHz, HF (high frequencies) de 3 a 30 MHz, VHF (very high frequencies) de 30 a
300 MHz, UHF (ultra high frequencies) por arriba de los 300 Mhz, y por último,
SHF y EHF
5.1 Formas de propagación:
Las ondas Hertzianas se propagan en dos formas:
* En el espacio libre (por ejemplo, propagación irradiada alrededor de la
tierra):
Las ondas causadas por la caída de una piedra en la superficie de un estanque
se propagan como círculos concéntricos. La onda de radio emitida por la antena
isotrópica (es decir, radiante de manera uniforme en todas las direcciones del espacio) puede ser
representada por una sucesión de esferas concéntricas.Imagínese una burbuja que
se infla muy rápidamente, a la velocidad de la luz, muy cerca de 300,000 km por
segundo. Al cabo de un segundo la esfera tiene 600,000 km de diámetro. Si el
medio de propagación no es isotrópico y homogéneo, el frente de la onda no será
una esfera.
* En líneas (propagación guiada, en un cable coaxial o en una guía de onda):
En espacio libre, cuanto más se aleje de la antena, la intensidad del campo
electromagnético irradiado es más débil. Esta variación es regular en un medio
homogéneo, en el vacío, por ejemplo. En un medio no homogéneo, como por ejemplo, en la
superficie de la Tierra, numerosos fenómenos contradicen esta norma: es
frecuente que la onda recibida interfiere directamente con un reflejó de esta
onda sobre el suelo, un obstáculo o sobre una capa de la ionosfera.
Para una buena recepción, es necesario que el
campo eléctrico de la onda captada tenga un nivel suficiente. El valor mínimo
de este nivel depende de la sensibilidad del
receptor, de la ganancia de la antena y la comodidad de escucha deseada. En el
caso de las transmisiones numéricas la comodidad de escucha es sustituida por
el nivel de fiabilidad requerido para la transmisión. La intensidad del campo eléctrico se
mide en voltio/metro.
2 Propagación de las ondas de radio: difusión, reflexión y refracción.
Una onda de radio se distingue de una radiación luminosa por su frecuencia:
algunas decenas de kiloherz o gigahertz para la primera, algunos centenares de
térahertz para elsegundo. Obviamente la influencia de la frecuencia de la onda
es determinante para su propagación pero la mayoría de los fenómenos de la
óptica geométrica (por ejemplo, la reflexión) se aplican también en la
propagación de las ondas hertzianas.
En la práctica es frecuente que dos o varios fenómenos se apliquen
simultáneamente al trayecto de una onda: reflexión y difusión, difusión y
refracción Estos fenómenos aplicados a las ondas radioeléctricas permiten a
menudo establecer conexiones entre puntos que no están en vista directa.
1 Difusión.
El fenómeno de difusión puede producirse cuando una onda encuentra un obstáculo
cuya superficie no es perfectamente plana y lisa. Es el caso de las capas
ionizadas de la atmósfera, de la superficie del suelo en las regiones onduladas
(para las longitudes de ondas más grandes) o de la superficie de los obstáculos
(acantilados, bosques, construcciones) para las ondas ultracortas (sobre
algunos centenares de megaherz). Como
en la óptica, la difusión depende de la relación entre la longitud de onda y las
dimensiones de los obstáculos o irregularidades a la superficie de los
obstáculos reflejantes. Estos últimos pueden también cambiar por las cortinas
de lluvia (en hiperfrecuencias) o las zonas ionizadas de la alta atmósfera en
las auroras polares (borealis y australis, Northern and Southern Lights).
2 Reflexión y refracción.
La información necesaria para una conexión que utiliza una reflexión
sobre la capa E de la ionosfera es:
* Lapotencia del emisor
* El diagrama de radiación de la antena;
* La posición geográfica de cada una de las dos estaciones y también
* La capacidad de la capa E de la ionosfera para reflejar las ondas de radio.
Es el SSN (el término histórico es número de Wolf, que no depende de quién
determina el número de manchas solares, veremos esto en la parte II de estas
notas), y también la fecha y la hora del día del intento de conexión
que permitirá al programa informático calcular las posibilidades de propagación
ionosférica. Se conocerá la probabilidad de establecer la conexión en función
de la frecuencia para un reporte de señal sobre ruido dado
La refracción es el cambio en la dirección de propagación de una onda, cuando
pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta, o cuando hay una
variación espacial de la velocidad de la onda en el mismo medio.
El clima espacial condiciona la ionización en las distintas capas de la
ionosfera, que cambia con la fecha y la hora. En el capítulo sobre propagación
y clima espacial hablaremos de la refracción de las ondas de radio en la
ionosfera, capacidad de la ionosfera, que permite contactos DX, de frecuencias
máximas utilizables MUF y frecuencias mínimas utilizables LUF, de SWF
(atenuación o pérdida de intensidad, también absorción, en Onda Corta, short
wave fade, en inglés). Hablaremos también del número de Wolf.
3 Interferencia de dos ondas de radio
Es necesario distinguir la interferencia causada por dos señalesindependientes,
en frecuencias muy cercanas, aparece el fenómeno de interferencia cuando la
onda directa irradiada por un emisor se recibe al mismo tiempo que una onda
reflejada. En este último caso, los tiempos de recorrido de las dos ondas son
diferentes y las dos señales recibidas son desfasadas. Pueden entonces
presentarse varios casos:
* Desfasamiento igual a un múltiplo del
período: las señales están en fase y se refuerzan mutuamente. Sus amplitudes se
añaden.
* Desfasamiento de un múltiplo de un semi-período: las señales están en
oposición de fase y la amplitud de la más débil se deduce de más fuerte. Si las
dos señales tienen la misma amplitud, el nivel de la señal resultante es nulo.
* Desfasamiento cualquiera: la amplitud de la señal que resulta es intermedia
entre estos dos valores extremos.
Los fenómenos de interferencias pueden ser muy molestos cuando el tiempo de
recorrido de la onda indirecta varía: la amplitud de la señal recibida varía
entonces a un ritmo más o menos rápido. El fenómeno de interferencia se utiliza
en aplicaciones que cubren numerosos ámbitos: medida de velocidad, radiogoniometría
3 Propagación en función de la gama de frecuencia
3.1 Ondas kilométricas
Se propagan principalmente muy a baja altitud, por onda de suelo. Su gran
longitud de onda permite el rodeo de los obstáculos. Para una misma distancia del emisor, el nivel de
la señal recibida es muy estable. Este nivel disminuye tanto más rápidamente
cuanto más se eleve la frecuencia. Lasondas de frecuencia muy baja penetran un
poco bajo la superficie del
suelo o el mar, lo que permite comunicar con submarinos en inmersión.
Aplicaciones corrientes:
radiodifusión sobre Grandes Ondas (Francia-Inter, RTL), difusión de las
señales horarias (relojes de radio controladores) La potencia de estos
emisores es enorme: a menudo varios megavatios para obtener un alcance que
puede llegar hasta 1000 km.
3.2 Ondas hectométricas
Las estaciones de radiodifusión sobre la banda de las Pequeñas Ondas (entre 600
y 1500 kHz) tienen potencias que pueden llegar hasta varios centenares de
kilovatios. Apenas utilizan la onda de suelo para cubrir una zona que no
sobrepasa una región francesa pero se benefician después de la puesta del sol
de los fenómenos de propagación ionosférica
3.3 Ondas decimétricas
Las ondas cortas, bien conocidas por los radioaficionados, permiten conexiones
intercontinentales con potencias de algunos milivatios si la propagación
ionosférica lo permite ya que la onda de suelo sobre 2 ó 3 MHz apenas lleva más
allá de algunas decenas kilómetros. Entre 1 y 30 MHz, la reflexión de las ondas
sobre las capas de la ionosfera permite liberarse del
problema del
horizonte óptico y obtener con un único salto un alcance de varios millares de
kilómetros.
Pero estos resultados son muy variables y dependen de los métodos de
propagación, el ciclo solar, la hora del
día o la temporada. Las ondas decimétricas cedieron el paso a los satélites aunque los cálculos
de previsión depropagación permitieran predecir con una buena fiabilidad las
horas de apertura, las frecuencias máximas utilizables y el nivel de la señal
que se recibirá.
3.4 Ondas métricas
Las ondas métricas corresponden a frecuencias incluidas entre 30 y 300
MHz que incluye la banda de radiodifusión FM, las transmisiones VHF de los
aviones, la banda radioaficionada de los 2 m, 6 m. Se propagan principalmente en
línea recta pero consiguen pasar los obstáculos de dimensiones que no superan
algunos metros. Se reflejan sobre las paredes, rocas, vehículos y
excepcionalmente sobre nubes ionizadas situadas en la capa E, hacia 90 km de
altitud lo que permite conexiones por más 1000 km. En tiempo normal, el alcance
de una emisora de 10 vatios en una antena omnidireccional es de algunas decenas
de kilómetros pero sucede también que el índice de refracción para estas
frecuencias haga curvarse hacia el suelo una onda que se habría perdido en el
espacio. Son entonces posibles las conexiones con algunos centenares de
kilómetros
3.5 Ondas decimétricas e hiperfrecuencias
Mientras más aumenta su frecuencia, el comportamiento de esta onda se asemeja
al de un rayo luminoso. Los haces hertzianos permiten conexiones a la vista, como el Telégrafo de
Casquillo, pero por todo el tiempo y con producciones de información de los mil
millones de vez más elevado. Ningún obstáculo de tamaño superior a algunos
decímetros debe encontrarse sobre el trayecto del haz.
Estas ondas se reflejan fácilmente sobre obstáculos dealgunos metros de
dimensión; este fenómeno es explotado por los radares, incluidos los utilizados
en los bordes de las carreteras. Y gracias a los reflejos sobre los edificios
es posible utilizar un teléfono portátil sin estar en vista directa con la
antena de enlace, pero las interferencias entre ondas reflejadas dificultan la
comunicación, obligando al usuario a cambiar de lugar o a desplazarse
simplemente de algunos metros. Sobre 10 GHz con una potencia de algunos vatios
y antenas parabólicas de menos de un metro de diámetro, es posible efectuar
conexiones a varios centenares de kilómetros de distancia sirviéndose una
elevada montaña como
reflector. Arriba de 10 gigahertz, el fenómeno de difusión puede manifestarse
sobre nubes de lluvia, permitiendo a la onda alcanzar lugares situados más allá
del horizonte óptico
3.6 Previsiones de propagación
El nivel de la señal emitida por una estación de emisión (emisora y antena)
en un punto del espacio (o de la superficie de la Tierra) puede calcularse con
una buena precisión si se conocen los principales factores que determinan la
transmisión. Como
ejemplo tomemos dos casos: conexión en vista directa en 100MHz y conexión a gran
distancia en 10MHz que utiliza una reflexión sobre la capa E. No efectuaremos
obviamente aquí los cálculos.
Conexión directa sobre 100MHz
Se conoce:
* La potencia de salida del emisor
* El diagrama de radiación de la antena de emisión y en particular la ganancia
de ésta en la dirección que nos interesa y sualtura con relación al suelo
* El perfil del terreno entre la estación de emisión y el punto de recepción,
teniendo en cuenta la redondez de la Tierra
* La distancia entre emisora y no de recepción
Los programas informáticos más o menos sofisticados permiten hacer rápidamente
esta clase de cálculo que puede eventualmente tener en cuenta la conductividad
del suelo, las posibilidades de reflexión, etc. Si se añaden las
características de la estación de recepción (antena + receptor), se podrá
entonces calcular el balance de la conexión, que dará la diferencia de nivel
entre la señal útil y el ruido radioeléctrico.
4 Propagación guiada
Para transportar la energía de alta
frecuencia de un punto en otro, no se utiliza un añadido eléctrico ordinario
sino una línea de transmisión con las características apropiadas. Esta línea
está formada por dos conductores eléctricos paralelos separados por un
dieléctrico, muy buen aislante a las frecuencias utilizadas (aire, Teflón
polietileno). Si uno de los conductores está rodeado por otro, hablamos
entonces de línea coaxial.
4.1 Ejemplos de líneas de transmisión
* Del emisor
a la antena se utilizará un cable coaxial que podrá soportar tensiones de varios
centenares o millares de voltios sin distensión eléctrica.
* Entre la antena parabólica y el receptor de televisión por satélite las
señales de baja amplitud serán transportadas por un cable coaxial que
presentará escasas pérdidas a muy alta frecuencia.
* La antena de unradar utilizado para el control aéreo se conecta a los equipos
de detección con ayuda de una guía de onda, sale de tubo metálico dentro del cual se desplaza la
onda.
* Sobre ondas cortas los radioaficionados utilizan a veces líneas de dos hilos
para alimentar su antena.
* Los circuitos selectivos utilizados en los aparatos que funcionan a muy alta
frecuencia (superior a 300 MHz) son muy a menudo líneas.
4.2 Formación de una onda en una línea
Un generador conectado a cargo con ayuda de una línea va a causar en cada uno
de los dos conductores de la línea
la formación de una corriente eléctrica y la formación de una onda que se
desplaza en el dieléctrico a una velocidad muy grande. Esta velocidad es
inferior a la velocidad de la luz pero sobrepasa frecuentemente 200,000 km/s,
lo que implica que, para una frecuencia dada, la longitud de la onda en la
línea es más pequeña que en el espacio (longitud de onda = velocidad en el
medio/frecuencia)
5 Ondas progresivas
Cuando la línea se adapta perfectamente al generador y a la carga, la condición
se cumple cuando la impedancia de salida del primero y la impedancia de entrada
del segundo son iguales a la impedancia característica de la línea, este último
es recorrido solamente por ondas progresivas. En este caso ideal la diferencia
de potencial entre los conductores y la corriente que circula en éstos tienen
el mismo valor cualquiera que sea el lugar donde la medida se efectúa en la
línea. Tal línea no irradia, el campoelectromagnético producido por la onda
progresiva no es perceptible a alguna distancia de la línea.
6 Ondas estacionarias
Si la condición mencionada anteriormente no se cumple, si la impedancia de la
carga es diferente de la impedancia característica de la línea, la línea va
entonces a ser el sitio de ondas estacionarias. La tensión medible entre los
dos hilos no será ya constante sobre toda la longitud de la línea y van a aparecer:
* Máximos de tensión aún llamados vientres de tensión correspondientes a nudos
de corriente.
* De los mínimos de tensión o nudos de tensión asociados a máximos de corriente
(vientres de corriente).
* Este tipo de funcionamiento generalmente se teme si el tipo de ondas
estacionarias es elevado. Las sobretensiones que corresponden a los vientres de
tensión pueden dañar la emisora, o incluso la línea. Las pérdidas en la línea son elevadas.
7 Pérdidas en la línea
La resistencia eléctrica (no nula) de los conductores que constituyen la línea
y el aislamiento (no infinito) del dieléctrico, causan un debilitamiento de la
amplitud de la onda progresiva recorriendo la línea.
Estas pérdidas tienen un doble inconveniente:
* Debilitamiento de la señal recibida y disminución de la sensibilidad del sistema de
recepción.
* Reducción de la potencia transmitida a la antena por el emisor.
Las pérdidas en línea se expresan en dB/m (decibel/metro de longitud) y
dependen de numerosos factores:
* Naturaleza del dieléctrico (materia, forma)
* Tipo delínea (de dos hilos, bifilar o coaxial)
* Frecuencia de trabajo
