Propagación de ondas electromagnéticas

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Propagación de ondas electromagnéticas Line Yasmín Becerra S.

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Propagación de ondas electromagnéticas

Line Yasmín Becerra S.

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Propagación de Ondas Electromagnéticas

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Propagación de ondas de tierra

Es una onda electromagnética que viaja por la superficie de la

tierra.”Ondas Superficiales” Deben estar polarizadas verticalmente. La superficie de la tierra también tiene resistencia y pérdidas

dieléctricas. Por tanto se atenúan a medida que se propagan. Las ondas de tierra se propagan mejor sobre superficies buenas

conductoras como agua salada y áreas desérticas muy áridas. La propagación se limita a frecuencias por debajo de 2 MHz. Aplicaciones en comunicaciones de barco a barco o a tierra,

radionavegación, marítimas móviles. Se utilizan a frecuencias tan bajas como 15 Khz.

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Propagación de ondas de tierra

Desventajas: Requieren potencia alta para la transmisión. Las ondas de tierra están limitadas a frecuencias, muy bajas, bajas y

medias (VLF, LF y MF), requieren antenas grandes Las pérdidas por tierra varían considerablemente con el material de la

superficie.

Ventajas: Dando suficiente potencia de transmisión , las ondas de tierra se

pueden utilizar para comunicarse entre dos ubicaciones cualquiera. No se ven relativamente afectadas por los cambios en las condiciones

atmósfericas.

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Propagación de ondas Espaciales

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Propagación de ondas Espaciales

Incluye ondas directas ( transmisión de línea de vista LOS) y reflejadas.

Las ondas espaciales se limita por la curvatura de la tierra. La curvatura de la tierra presenta un horizonte para la propagación de

ondas espaciales comúnmente llamado radio horizonte. Debido a la refracción de la atmósfera , el radio horizonte se extiende

más allá del horizonte óptico por un factor de cuatro tercios. El horizonte puede alargarse simplemente elevando las antenas,

transmisora o receptora o ambas, por arriba de la superficie de la tierra, con torres o colorándolas en edificios altos.

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Propagación de ondas Espaciales

En donde dt y dr son distancias en Km y ht y hr en metros

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Propagación de ondas de cielo

Ondas que se dirigen por encima del nivel horizonte. Producen un Angulo relativamente grande con la tierra. Se envían al cielo donde son reflejadas o refractadas

nuevamente a tierra por la ionosfera(50-400km arriba de la tierra).

La ionosfera esta compuesta por tres capas (DEF) las tres varían en ubicación y en densidad de ionización con la hora del día. Fluctúan en un patrón cíclico todo el ano. La ionosfera es más densa en las horas de máxima luz solar.

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Propagación de ondas de cielo

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Propagación de ondas de cielo

CAPA D

Capa D. Capa inferior se localiza (50-100Km) arriba de la superficie de la tierra. Como es la más lejana al sol tiene poca ionización.

Tiene muy poco efecto en la dirección de propagación de las ondas de radio. Pero lo iones de la capa D pueden absorber cantidades apreciables de energía electromagnética.

La cantidad de ionización en la capa D depende de la altitud del sobre el horizonte. Por lo tanto desaparece en la noche.

Refleja ondas VLF y LF y absorbe ondas de MF y HF.

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Propagación de ondas de Cielo

CAPA E Se localiza de 100-140Km. Se llama a veces Capa Kennelly-Heaviside. Tiene su mayor densidad a medio día aproximadamente a 70 millas

cuando el sol se encuentra en su punto máximo. Al igual que la D desaparece en la noche. Auxilia la propagación de ondas de superficie de MF y refleja ondas de

HF un poco durante el día. Se denomina capa E esporádica porque parece que va y viene en

forma imprevisible (causada por manchas solares y estallidos solares). Es delgada con densidad de ionización muy alta. Cuando aparece por lo general hay una mejora inesperada en las transmisiones de radio de larga distancia.

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Propagación de ondas de Cielo

CAPA F

Esta hecha de dos capas F1 y F2. Durante el día la capa F1 se localiza entre 140-250Km arriba de la tierra. Y la F2 de 140 a 300Km en invierno y 250 y 350 Km en verano.

Durante la noche la capa F1 se combina con F2 forman una sola capa

F1 absorbe y atenúa algunas ondas HF, aunque la mayoria de las ondas pasan a través de la capa F2, cuando se refractan nuevamente a la tierra.

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Frecuencia crítica y ángulo crítico

Frecuencia crítica (fc), se define como la frecuencia más alta que puede propagarse directamente hacia arriba y todavía ser regresadas a la tierra por la ionosfera.

Depende de la ionización y por tanto varia con la hora del día y de la estación del año.

Angulo Crítico Өc: Cada frecuencia tiene un Angulo vertical máximo en el cual se puede propagar y todavía ser refractada nuevamente por la ionosfera.

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Altura Virtual

Es la altura arriba de la superficie de la tierra desde donde parece que una onda refractada ha sido reflejada.

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Frecuencia máxima utilizable (MUF)

Es la frecuencia más alta que puede utilizarse para la propagación de ondas del cielo, entre dos puntos específicos de la superficie de la Tierra. Es una frecuencia limitante para las ondas de cielo. Es para un ángulo especifico de incidencia.

Ө es el ángulo de incidencia

Ley del secante. Supone que la tierra es plana y la capa reflejante es plana, lo que jamás puede existir. Por tanto MUF se utiliza para hacer cálculos preliminares.

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Distancia de salto

ds, es la distancia mínima, desde la antena transmisora, en que se regresará a tierra una onda de cierta frecuencia ( que debe ser menor que la MUF).

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Ejercicios

La frecuencia crítica en un instante particular es 11.6 MHz. Cuál es la MUF para una estación transmisora si el ángulo de incidencia requerido para propagación a un destino deseado es 70 grados?

Una compañía de taxis utiliza un despachador central, con una antena en la parte superior de una torre de 15 m, para comunicarse con los taxis. Las antenas de los taxis están sobre sus techos, más o menos a 1.5 m del suelo. Calcule la distancia de comunicación máxima.

a. entre el despachador y un taxi.

b. entre dos taxis.

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Frecuencia de transmisión

Espectro de la longitud de onda electromagnética.

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Designaciones de la banda CCIR

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Servicio fijo, móvil,

Radioaficionados,

Onda corta

100 m –

10 m

3 MHz –

30 MHz

Ondas decamétricas

HF

Radiodifusión (AM)

Comunicaciones entre barcos, aviones

1 Km –

100 m

300 KHz -

3 MHz

Ondas hectométricas

MF

Radiocomunicación de larga distancia, onda larga

Radionavegación

10 Km –

1 Km

30 KHz –

300 KHz

Ondas kilométricas

LF

Radionavegación

Servicio móvil marítimo

100 Km –

10 Km

3 KHz –

30 KHz

Ondas miriamétricas

VLF

ServicioFrec.Denominación

Distribución del espectro electromagnético según la ITU-R

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Comunicaciones ópticas1 mm –

0.1 mm

300 GHz –

3000 GHz

Ondas decimilimétricas

Ópticas

Enlaces con línea de vista (microondas) terrestres y satelitales, experimentación

1 Cm –

1 mm

30 GHz –

300 GHz

Ondas milimétricas

EHF

Radar, Comunicaciones

por satélite, enlaces en microondas

10 Cm –

1 Cm

3 GHz –

30 GHz

Ondas centimétricas

SHF

Televisión, Radar,

Comunicaciones a distancia corta, Comunicaciones móviles

1 m –

10 Cm

300 MHz -

3 GHz

Ondas decimétricas

UHF

Televisión, teléfonos analógicos inalámbricos,

Radiodifusión FM, radares

10 m –

1 m

30 MHz –

300 MHz

Ondas métricas

VHF

Distribución del espectro electromagnético (Cont.)

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Visión directa 40 KmOnda espacial (troposférica)SHF

Visión directa 40 Km

600 Km

Onda espacial (troposférica)

Disp. Ionosférica f>500 MHz

UHF

Visión directa 50 Km

2000 Km

Onda espacial (troposférica)

Disp. Ionosférica f < 50 MHz

VHF

< 300 Km

> 500 Km

Distancias cortas < 100 Km

Onda ionosférica

(3 – 8MHz)

(3 – 25 MHz)

Onda superficial

(3 – 30 MHz)

HF

Distancias cortas 100 Km

Distancias largas > 500 Km

Onda superficial

Onda ionosférica

MF

> 1000 Km (sobre agua)Onda superficialLF

Guiaondas tierra ionosferaVLF

Alcance típicoModos propagaciónBanda

Propagation path for different frequency bands

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Las zonas de Fresnel están formadas por un conjunto de elipsoides concéntricos, cuyo eje mayor es la línea recta que enlaza las antenas transmisora y receptora, cuyos focos de radiación (R y T) coinciden con los focos de los elipsoides.

Se definen zonas Fresnel como aquellos puntos del espacio que cumplen:

(r1+r2)- R = nλ/2

Zonas Fresnel

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B

RT

P

A

Zonas fresnel

r1r2

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B

RTA

RF

d1 d2

D

21

21

dd

dndRF +

Zonas Fresnel

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Zonas de fresnel

Constructiveinterference

Destructiveinterference

Front view

RF1

RF2

RF3

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Se define como la superficie de un elipsoide de revolución con las antenas emisora y receptora situadas en los puntos focales en los que una onda reflejada tiene un camino indirecto media longitud de onda más largo que el camino directo entre las dos antenas. El primer elipsoide de fresnel (n=1), corresponde a la región del espacio por la que viaja mas energía (2/3 de campo), y por lo tanto, la región que necesita estar libre de obstáculos para garantizar un buen nivel de recepción.

Primera zona fresnel

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Primera zona fresnel

El radio de la primera zona fresnel permite definir la condición de visibilidad entre las antenas de forma que mientras no existe un obstáculo dentro de la primera zona de Fresnel se considera que la trayectoria no ha sido obstruida. Por el contrario cuando el obstáculo se encuentra dentro de la primera zona de Fresnel existirá una disminución apreciable en la potencia recibida, por lo que se considera que la trayectoria ha sido obstruida y deberá considerarse el efecto de difracción.

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Zonas fresnel

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Desvanecimientos

IntroducciónDesvanecimiento es la disminución o variación de intensidad con que llegan las señales al receptor, se debe normalmente a las condiciones atmosféricas adversas y a las reflexiones del trayecto de propagación al encontrar superficies terrestres o acuáticas. La intensidad del desvanecimiento aumenta en general con la frecuencia y la longitud del trayecto.

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Desvanecimientos

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Profundidad y duración

Profundidad de desvanecimiento: diferencia entre el nivel medio y el nivel recibido en condiciones de desvanecimiento.(en dB)

F1=Po-P1 Duración de desvanecimiento: Intervalo de tiempo

que transcurre entre la disminución y la resuperación del nivel nominal.

tm=t2-t1

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Desvanecimientos

Introducción a los desvanecimientosTipos de desvanecimiento

Característica Tipo de desvanecimiento

Profundidad Profundo Muy profundo

Duración Lento Rápido

Característica espectral Plano Selectivo

Mecanismo de producción Factor K Multitrayecto

Dependencia Temporal Continuado Puntual

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Técnicas para reducir el Desvanecimiento

Sin emplear Diversidad

Con diversidad

• Según los parámetros del camino radioeléctrico

• Según el procesamiento de la señal

• Espacio• Frecuencia• Angulo• Polarización• Trayecto

• Conmutación• Combinación

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Técnicas sin diversidad

Sobredimensionar el enlace

Aumento de inclinación del trayecto

• Antenas más grandes. G

• Mejores receptores. S

•Mayor potencia transmitida

•Reubicación de las estaciones utilizando trayectos más cortos

Page 36: Propagación de ondas electromagnéticas

Técnicas sin diversidad

Reducción del efecto de las reflexiones en superficies

Reducción del despejamiento

• Apantallamiento del punto de reflexión

• Traslado del punto de reflexión a una superficie menos reflectora

•Elección de polarización vertical

Page 37: Propagación de ondas electromagnéticas

Técnicas de contramedida(Diversidad)

Cuando se produce desvanecimiento o se averían los equipos de un radioenlace se emplea la diversidad que consiste en una serie de esquemas o alternativas que permiten transferir la señal a otros canales de reserva aumentando así la confiabilidad del sistema, aun bajo las peores condiciones de degradación del canal de transmisión

El margen de desvanecimientos selectivos no se contrarresta aumentando la potencia de transmisión debido a que éstos no afectan el margen de desvanecimiento plano sino el desempeño del enlace (en términos de BER). Por lo tanto, se requieren de técnicas de contramedida para contrarrestarlo (que también sirven para el desvanecimiento por multitrayectos).

Page 38: Propagación de ondas electromagnéticas

Diversidad en espacio

Diversidad en espacio

Dos trayectos radioeléctricos. - Un transmisor. - Dos antenas receptoras. - No es probable un desva- necimiento simultáneo. Ventaja: Usa una sola frecuencia. Inconveniente: En caso de avería del TX se rompe el enlace.

Transmisormicroondas

BPFse

para

do

r d

e c

an

al

co

mb

inad

or

de c

an

al

ReceptormicroondasBPFSalida y Entrada

De RF

Entrada De IF

Salida De IF

Transmisormicroondas

BPFse

para

do

r d

e c

an

al

co

mb

inad

or

de c

an

al

ReceptormicroondasBPFSalida y Entrada

De RF

Entrada De IF

Salida De IF

Separación entre antenashl: Altura de la antena TX

1504 1h

dh

Page 39: Propagación de ondas electromagnéticas

Diversidad de FrecuenciaBPF

ATransmisor

frecuencia A

Com

bina

dor

de c

anal

BPFB

Transmisorfrecuencia B

Divisor de potencia

A

B

SalidaDe RF

EntradaIF

BPFA

Transmisorfrecuencia A

Com

bina

dor

de c

anal

BPFB

Transmisorfrecuencia B

Divisor de potencia

A

B

SalidaDe RF

EntradaIF

BPFA

Transmisorfrecuencia A

Com

bina

dor

de c

anal

BPFB

Transmisorfrecuencia B

Divisor de potencia

A

B

SalidaDe RF

EntradaIF

Factor de mejora por diversidad de frecuencia (Ifd) es :

Ifd = 0.8f d

ff

10Fm/10f = frecuencia central de la banda (GHz)d = longitude del enlace (km)f = separación entre frecuencias utilizadas para la diversidadFm = margen de desvanecimiento (dB)

Diversidad en frecuencia

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Diversidad de Polarización - Una señal se transmite con dos diferentes

polarizaciones electromagnéticas (vertical horizontal). Diversidad de Angulo Antenas con dos o más haces separados por pequenos

angulos en el plano vertical o bien antenas separadas apuntando con angulos diferentes.

Puede utilizarse en situaciones en las que no sea posible la diversidad de espacio o para reducir la altura de las torres.

Diversidad de polarización

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Es un factor de protección en donde se consideran las características no ideales y menos predecibles de la propagación de las ondas, como la propagación de múltiples trayectorias, sensibilidad a superficie rocosas y objetivos de confiabilidad del sistema.

Margen de desvanecimiento (Fm)

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Margen de desvanecimiento

PRx

Nu

No Selectivo

Selectivot

TFS2TFS1

Margen de Desvanecimiento

P

PRx

Nu

No Selectivo

Selectivot

TFS2TFS1

Margen de Desvanecimiento

P