Zusammenfassung der Ressource
Propagación
- Efecto de la ionósfera
- La ionosfera es la
región de las capas
altas de la atmósfera
- El 12 de diciembre de 1901, Marconi consiguió
realizar de forma satisfactoria la primera
comunicación radiotelegráfica transatlántica
cubriendo una distancia de 3.000 km entre Gales y
Terranova,
- Unos años antes, Hertz
había comprobado
experimentalmente la
existencia de ondas
electromagnéticas, cuya
naturaleza era similar a la
de la luz
- En el mismo año 1902, Kennelly y
Heaviside, de forma
independiente, postularon la
existencia de una capa ionizada
en la parte alta de la atmósfera
como la responsable de la
reflexión de las ondas
electromagnéticas
- El primer experimento para
realizar mediciones directas de
la ionosfera lo llevaron a cabo
Appleton y Barnett en Londres,
en 1925.
- La causa primordial
de ionización de la
ionosfera es la
radiación solar en la
región del espectro
de los rayos X y
ultravioletas
- La capa inferior D se
extiende entre los 50 y 90
km de altura.
- En zonas templadas la capa Es es bastante frecuente en verano, y
alcanza densidades iónicas varias veces superior a la capa E circundante.
- La capa F se extiende hacia
arriba a partir de los 130 km de
altitud.
- Debido al distinto comportamiento de la parte inferior
y superior de la capa, ésta se subdivide en capa F1
entre los 130 y 210 km y F2 a partir de los 210 km.
- La capa F1 desaparece durante
la noche
- La capa F2 mantiene niveles de ionización
relativamente constantes entre el día y la
noche.
- Su densidad de ionización
aumenta rápidamente con
la altura y presenta
grandes variaciones entre
el día y la noche
- Introducción
- En el año 1902 otros experimentos realizados
por Marconi pusieron de relieve que las
comunicaciones a grandes distancias sufrían
fuertes variaciones según se realizasen durante
el día o la noche.
- Así, experimentos de recepción a bordo de un barco desde
una estación en tierra mostraron que a distancias
superiores a 1.000 km las comunicaciones fallaban
totalmente durante el día, mientras que durante la noche
era posible la recepción a distancias superiores a los 3.000
km.
- Marconi estaba más interesado en las posibilidades de
explotación comercial de las comunicaciones
radiotelegráficas a grandes distancias que en la
explicación de los fenómenos responsables de estas
comunicaciones
- Marconi concentró su actividad en la
aplicación práctica de estos hechos más que
en la justificación teórica de los mismos.
- La propagación por reflexión
ionosférica es importante en
las bandas de MF y HF
- Propagación en un medio ionizado
- La propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera se
puede modelar a partir de la propagación en plasmas.
- Un plasma es una región de espacio,
con la permitividad eléctrica y la
permeabilidad magnética del vacío,
que contiene electrones libres.
- Un modelo simplificado es el de plasma frío, en el que se
desprecia el movimiento de los electrones por causas térmicas.
- Considérense en primer lugar las fuerzas a las
que se encuentra sometido un electrón
inmerso en el campo electromagnético de una
onda plana.
- Éste experimentará una fuerza debida al campo
eléctrico y otra al campo magnético dadas por
- La propagación por reflexión
ionosférica es importante en las
bandas de MF y HF.
- La frecuencia de colisión iónica es
máxima a unos 75 km de altura
(capa D), con un valor aproximado
de u = 2·106 s-1.
- La densidad de ionización
máxima en esta capa para
alturas entre los 80 y 90 km
es de 109 electrones/m3,
valor que se alcanza
durante el mediodía.
- Para esta densidad
de ionización la
frecuencia de
resonancia es de
300 kHz.
- En el resto de las capas la frecuencia de
colisión es mucho menor, debido a que la
atmósfera es más tenue, por lo que la
atenuación es prácticamente despreciable.
- Influencia del campo magnético
terrestre
- Es el efecto del
campo magnético
terrestre.
- Un plasma sometido a un campo
magnético constante posee
características anisótropas, de
forma que la constante
dieléctrica no es un escalar sino
un tensor.
- El efecto más notable es que la constante de
propagación es función de la polarización de la
onda.
- En concreto la constante de propagación es
distinta para una onda polarizada circularmente
a derechas o a izquierdas.
- Esto produce una rotación en el
plano de polarización de una
onda linealmente polarizada.
- Considérese la siguiente onda linealmente
polarizada según el eje x, que se propaga
en la dirección del eje z, y que se
descompone como la suma de dos ondas
polarizadas circularmente
- Tras propagarse por un medio anisótropo de
espesor l con constantes de propagación k1 y k2
para cada una de las polarizaciones circulares
- El ángulo de rotacion de la
polarización depende de la
diferencia entre las dos
constantes de propagación.
- Esta diferencia es función de la dirección de
propagación de la onda respecto al campo
magnético terrestre, de la intensidad del
campo magnético y de la frecuencia de
resonancia de la ionosfera, e inversamente
proporcional al cuadrado de la frecuencia.
- Para frecuencias superiores a 10 GHz la rotación de Faraday
es totalmente despreciable (inferior a 1º) sin embargo, en
las bandas de VHF y UHF puede tener valores considerables
que son impredecibles.
- A frecuencias superiores
a 10 GHz, puede
emplearse polarización
lineal sin que exista una
rotación apreciable en la
polarización,
- Comunicaciones
ionósféricas
- La existencia de la ionosfera permite, tal como
comprobó Marconi, las comunicaciones a
grandes distancias.
- El efecto de la
ionosfera es
distinto para las
diferentes bandas
de frecuencias.
- A frecuencias bajas y muy bajas
(bandas de LF y VLF) la ionosfera
supone un cambio brusco en
términos de l del índice de refracción
atmosférico.
- Esta variación abrupta produce
una reflexión de la onda
incidente en la parte baja de la
ionosfera.
- Modelización de la propagación
en entornos complejos
- El proceso físico involucrado en este modo de
propagación es una refracción, es habitual referirse a
él como reflexión ionosférica, considerando que se
produce una reflexión a una altura virtual h.
- La distancia máxima alcanzable está
limitada por la potencia del transmisor, la
sensibilidad del receptor, la altura virtual
de reflexión y la curvatura terrestre.
- Considerando el efecto de refracción de la atmósfera
terrestre esta distancia está limitada en torno a los
4.000 km.
- La propagación por reflexión ionosférica
es importante en las bandas de MF y HF.
- La densidad de ionización que se traduce en
una mayor frecuencia de resonancia en verano
que en invierno.
- Modelización de la
propagación en
entornos
complejos
- En la mayoría de las ocasiones no existe visibilidad directa entre los dos
extremos del enlace: la estación base y el terminal móvil. La intensidad de
campo eléctrico y por tanto la densidad de potencia incidente en la antena
receptora es el resultado de la contribución de ondas reflejadas y
difractadas en los edificios y obstáculos del entorno.
- La potencia de señal recibida pueden ser del orden de 30 a
40 dB con pequeños desplazamientos.
- Introducción
- Los modelos de propagación de las secciones anteriores
son útiles para evaluar las pérdidas de propagación
asociadas a los distintos efectos
- En entornos de propagación complejos en los que existe una
superposición de varios efectos, el cálculo de las pérdidas de
propagación debe abordarse de forma diferente.
- Modelos empíricos para el valor medio de las pérdidas de
propagación.
- El modelo Okumura-Hata
- Cuanto más alta se encuentra la antena de la estación base menor es el exponente que afecta a la
distancia.
- Los modelos empíricos se basan en el ajuste de leyes de
decaimiento de la potencia recibida en función de la
distancia, altura de antenas, frecuencia y tipología del
entorno a datos medidos.
- Generalmente los modelos empíricos distinguen entre zonas
urbanas muy densas, zonas urbanas de baja densidad y zonas
rurales.
- Uno de los más empleados es el denominado
Okumura-Hata, que se desarrolló a partir de medidas
realizadas en Tokio.
- El modelo Okumura-Hata predice una disminución del valor medio
de la potencia recibida en función de la distancia de la forma
- Caracterización estadística de las pérdidas
de propagación
- Los modelos empíricos sólo proporcionan el valor medio o
esperado de las pérdidas de propagación para un entorno
genérico en función de la distancia entre la estación base
y el terminal.
- Es evidente que aún manteniendo la distancia a la estación
base constante se observarán fluctuaciones en los niveles de
señal en distintas ubicaciones del terminal móvil.
- Éstas se deben a las diferentes alturas de los
edificios, orientación y características de las calles,
etc.
- Al describir una circunferencia en torno a una estación
base se medirán variaciones en las pérdidas de
propagación.
- Variaciones relativamente lentas en función de la
distancia recorrida y que físicamente cabe asociarlas a la
variación en el entorno.
- Dado que estas variaciones dependen de múltiples
factores independientes, la resultante es una variación
aleatoria de distribución gaussiana.
- De forma que las pérdidas de
propagación se caracterizan de la siguiente manera
- L = L50 + Ls
- Para un entorno urbano denso podemos estimar la
variación estandar de las fluctuaciones de las
pérdidas debidas a la variabilidad del entorno como
- Desvanecimientos rápidos multicamino y
diversidad
- En una situación real de comunicaciones móviles el campo incidente
en la antena receptora es el resultado de la superposición de
múltiples contribuciones: campos reflejados en edificios, campos
difractados en las aristas o bordes de los edificios, componentes
reflejadadas en el suelo, y componentes provenientes de múltiples
reflexiones.
- Una componente que contribuía
constructivamente se convierte en
destructiva.
- A este efecto se le denomina desvanecimiento
por multicamino, y se caracteriza
estocásticamente.
- Una posibiliad es seleccionar en cada momento
la salida de la rama que presente una mejor
relación señal a ruido.
- La diversidad en espacio en recepción es sólo una de las
posibles formas de emplear la diversidad para combatir el
desvanecimiento multicamino
- También se pueden realizar sistemas basados en la combinación
dinámica de la señal recibida por cada rama de forma que se
maximice en cada momento la relación señal a rudio, de forma
que el receptor se adapte a las características cambiantes del
entorno de propagación.
- A este concepto se le denomina
genéricamente como antenas inteligentes
- La capa D presenta una
atenuación elevada proporcional
a la densidad de ionización
- En la noche cuando la capa D desaparece es
posible la refracción en las capas superiores
y establecer enlaces ionosféricos.
- Los enlaces en HF no sufren estos problemas
ya que la atenuación en la capa D es
proporcional a 1/f2, y por tanto despreciable
en esta banda.
- Las condiciones de propagación en los actuales
servicios de comunicaciones móviles son el
resultado de la superposición de múltiples
reflexiones y difracción en edificios y obstáculos