PROPAGACION EN MEDIOS NO CONFINADOS. Guillermo Rodriguez - J. A. Bava

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Milagros Bustamante Quintero
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1 PROPAGACION EN MEDIOS NO CONFINADOS Guillermo Rodriguez - J. A. Bava

Espectro electromagnético Frecuencia (hertzios) Ionosférica Onda de Superficie Rayo Directo Telefonía y potencia Generadores por rotación Instrumentos musicales Micrófonos Radio Receptores de radio y

2 Espectro electromagnético Frecuencia (hertzios) Ionosférica Onda de Superficie Rayo Directo Telefonía y potencia Generadores por rotación Instrumentos musicales Micrófonos Radio Receptores de radio y TV Tubos electrónicos Circuitos integrados Microondas Radar Antenas de microondas Magnetrones Infrarrojos Láseres Misiles guiados Medidas de distancias Luz visible Par trenzado Cable coaxial Fibra óptica Radio AM Radio FM Trasmisiónvía satélite y terrestre Longitud de onda (metros) ELF = Frecuencias extremadamente bajas VF = Frecuencias de voz VLF = Frecuencias muy bajas LF = Frecuencias bajas MF = Frecuencias medias HF = Frecuencias altas VHF= Frecuencias muy altas UHF = Frecuencias ultra altas SHF = Frecuencias super altas EHF = Frecuencias extremadamente altas

3 PROPAGACION EN MEDIOS NO CONFINADOS

4 Propagación por Onda de Superficie E A = 2 Eo d Usualmente hasta 2 MHz A = Factor de atenuación de onda de superficie = f(ε, σ, θ, λ, polarización)

5 Propagación por Onda de Superficie

6 Propagación Ionosférica

7 OPACIDAD ATMOSFERICA

8 COMPOSICION DE LA ATMOSFERA Oxígeno 21% 1% (aprox.) Argón 0,93% Nitrógeno 78% Dióxido de Carbono 0,033% Otros gases A nivel del mar y no varía hasta los 30 Km

9 COMPOSICION DE LA ATMOSFERA (con la altura)

ESTRUCTURA DE LA ATMOSFERA Troposfera: baja temperatura a medida que aumenta la altura (-70ºC) y hay una corriente de aire ascendente favoreciendo el mezclado.

10 ESTRUCTURA DE LA ATMOSFERA Troposfera: baja temperatura a medida que aumenta la altura (-70ºC) y hay una corriente de aire ascendente favoreciendo el mezclado. IONOSFERA Estratofera: la temperatura se mantiene constante, impidiendo movimiento de aire que se distribuye en estratos. Mesosfera o Ozonofera: en la zona mas baja que posee ozono que al absorber energía hace que la temperatura aumente. Luego sigue una zona similar a la superficie terrestre. A partir de los 80 Km empiezan a tener importancia los fenómenos de ionización.

11 IONOSFERA La ionósfera es una región del espacio que rodea la tierra, y está formada por un plasma iónico. Se denomina plasma al cuarto estado de agregación de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente (cargas positivas - iones y negativas - electrones) y no poseen equilibrio electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.

12 IONOSFERA Los iones son producidos por: Ondas electromagnéticas Ultravioleta Rayos X Rayos γ Rayos cósmicos Impacto de partículas de alta velocidad Se ha probado que el estado de ionización de la ionosfera, es proporcional a la cantidad de manchas solares (aunque estas no tengan real incidencia respecto a la producción de iones y electrones libres)

13 FORMACIÓN DE LA IONOSFERA

14 MANCHAS SOLARES Las manchas solares se cuantifican con el número de Wolf (R w ), que tiene una variación periódica de 11 años 4 meses, dado por: Donde R w = K (10.g + f) K: constante g: número de grupos de manchas solares f: número de manchas individuales

CAPA F1: es similar a la capa E, esta entre los 140 y 250 Km y durante la noche se

15 CAPAS IONOSFERICAS CAPA D: 50 a 90 Km, produce efectos de absorción sobre HF. CAPA E: es un fenómeno diurno entre los 90 a 130 Km. CAPA F1: es similar a la capa E, esta entre los 140 y 250 Km y durante la noche se eleva. CAPA F2: existe de día y de noche, de día esta entre los 250 a 300 Km, mientras que de noche esta entre los 150 a 250 Km.

16 CAPAS IONOSFERICAS HORARIAS VARIACIONES IONOSFERICAS ESTACIONALES FENOMENOS SOLARES (Manchas Solares)

$SONDEO IONOSFERICO La reflexión ionosférica es una refracción total.$ 1 f N f Donde f es la frecuencia de operación y: Frecuencia del plasma: Es la frecuencia a la cual oscilan los electrones

1 f N f Donde f es la frecuencia de operación y: Frecuencia del plasma: Es la frecuencia a la cual oscilan los electrones

17 SONDEO IONOSFERICO La reflexión ionosférica es una refracción total. La incidencia vertical sobre la ionosfera se denomina sondeo ionosférico: El índice de refracción n, está dado por: n 2 = 1 f N f Donde f es la frecuencia de operación y: Frecuencia del plasma: Es la frecuencia a la cual oscilan los electrones alrededor de los iones cuando son excitados. Siendo N la densidad iónica, e es la carga del electrón, ε o es la cte dieléctrica del espacio libre y m es la masa de los electrones

18 SONDEO IONOSFERICO fof2 > fof

$de la ecuación del índice n es posible obtener dos soluciones para el índice de refracción, surgiendo dos velocidades de propagación y por lo tanto dos caminos$

19 IONOSONDA - IONOGRAMA A p a r t i r d e u n a frecuencia comienza a aparecer lo que se llama el rayo extraordinario, esto es debido a que por presencia del campo magnético, de la ecuación del índice n es posible obtener dos soluciones para el índice de refracción, surgiendo dos velocidades de propagación y por lo tanto dos caminos (birrefrigencia)

20 FRECUENCIA CRITICA Partamos de la ley de Snell: Si el rebote es de 90º. Luego: sen( i) ( θ ) ( θ ) n sen = n sen = n Si aplicamos esta expresión a sondeo ionosférico, tendremos: i=0 ( ) sen i f = 0 = n = 1 N f c Donde f c es la frecuencia a la cual se produce el rebote por sondeo ionosférico, llamada frecuencia crítica: 2 f 1 N = 0 f c 2 f c = f N

21 ENLACE IONOSFERICO Luego apliquemos esto a una incidencia oblicua: Esta se conoce como ley de la secante y con ella se determina la máxima frecuencia utilizable (MUF), que posee un 50 % de confiabilidad. c c ( ) sen i sen f f f f 2 ( i) f = n = 1 c f 1 = = 1 sen 2 ( i) ( i) f f sec( i) = cos = 2 ( ) MUF = f = f sec i c f c f c 2

23 ENLACE IONOSFERICO Para trabajar con mayor confiabilidad se utiliza la frecuencia optima de trabajo (FOT), dada por: FOT = 85% MUF Con esto se logra un 90% de confiabilidad

24 ENLACE IONOSFERICO LUF (Less Usable Frequency): es la Mínima Frecuencia Utilizable, o sea es la mínima frecuencia de una onda de radio de la banda de HF que permite la operación sin dificultades provocadas por el ruido atmosférico y la elevada absorción. Si se trabaja por debajo de la LUF, el ruido atmosférico y la elevada absorción dificultarán la comunicación. FOT (Frecuencia Óptima de Trabajo): es aquella con un valor del 15% inferior a la MUF. Al trabajar en la FOT, la intensidad de recepción es ligeramente peor que con la MUF, pero se consigue mayor estabilidad y fiabilidad durante transmisiones prolongadas, debido al carácter cambiante de la MUF. MUF (Máxima Frecuencia Utilizable): es aquella situada justo por arriba de la frecuencia crítica, de forma que las ondas de radio de frecuencia igual o inferior a la MUF estarán sujetas a condiciones de reflexión ionosférica. sufre grandes variaciones a lo largo del día y de una época del año a otra, como consecuencia de las variaciones de densidad de ionización.

25 MAPAS DE PREDICCION DE RADIOFICIONADOS

28 CALCULO DE ENLACE IONOSFERICO Si consideramos tierra plana tendremos i = arctg D 2 h virtual Las distancias que se pueden lograr son: 1 Salto < 4000Km 2 Saltos entre 4000 a 7000 Km 3 Saltos entre 7000 a Km

29 CALCULO DE ENLACE IONOSFERICO La distancia total recorrida por la señal para un salto entre los dos puntos (con tierra esférica y saltos > 1000 Km) esta dada por: Donde: α : ángulo entre las dos estaciones con vértice en el centro de la tierra. A : latitud de la estación A. B : latitud de la estación B. ΔL : Diferencia entre las longitudes de las estaciones A y B. h i : Altura de la reflexión virtual (Radio System Design for Telecommunications - Roger Freeman pag. 627).

30 Calculo de un enlace de RF La densidad de potencia estaba dada por: S = Pt 2 4 π d Si el transmisor tiene una ganacia Gt, tendremos: Pt S = Pt Gt 2 4 π d Gt

31 Calculo de un enlace de RF La potencia recibida será entonces: Pr = S Aef Aef Gt Pt Para cualquier antena el área efectiva de apertura es: 4π G( θ, φ) = A 2 ef λ Aef 2 λ = 4 π Gr Reemplazando en la ecuación de la potencia recibida: 2 λ P r = P G G ( 4 π d) 2 t T r donde Pr = Pt + Gt + Gr Ptel Perdidas P = ( 4 π d) 2 tel 2 λ Pérdidas por propagación en el espacio libre Ecuación de Potencia del Enlace

32 CALCULO DE ENLACE IONOSFERICO Perdidas = P + P + P P ionosferica tel ionosferica reflexión = J Q K J: factor estacional que depende de la ubicación del Tx y Rx, varia entre 1 y 1,3. Q: es el factor que contempla las manchas solares Q=1+0,005 R w donde R w es el nro de Wolf que varia entre 0 y 140 o sea que Q varia entre 1 a 17. K: depende del ángulo con respecto al sol (x), siendo: K=0,142 sen(x)+0,858 cos(x) La potencia reflejada va a depender del coeficiente de reflexión, siendo: Coeficiente de reflexión = R = f(ε, σ, θ, λ, polarización)

33 CALCULO DE ENLACE IONOSFERICO Luego el cálculo del enlace quedará: Pr = Pt + Gt + Gr Ptel Pionosf Prefl. Pr Sensibilidad + MF La sensibilidad de un receptor es la minima potencia detectable

34 CALCULO DE ENLACE IONOSFERICO CNR = P N r total N = K Tsys. ΔB total CNR CNR + MF umbral CNR cuantifica la calidad del servicio Confiabilidad

MARGEN DE DESVANECIMIENTO Mf D: distancia (kilómetros) f: frecuencia (gigahertz) Ecuaciones de Barnett-Vignant de confiabilidad R: confiabilidad en tanto por uno (es decir, 99.99% 0.

35 MARGEN DE DESVANECIMIENTO Mf D: distancia (kilómetros) f: frecuencia (gigahertz) Ecuaciones de Barnett-Vignant de confiabilidad R: confiabilidad en tanto por uno (es decir, 99.99% de confiabilidad) 1-R: objetivo de confiabilidad para una ruta de 400 km en un sentido A factor de rugosidad 4 sobre agua o sobre un terreno muy liso 1 sobre un terreno promedio 0.25 sobre un terreno muy áspero y montañoso B: factor para convertir la peor probabilidad mensual en una probabilidad anual 1 para pasar una disponibilidad anual a la peor base mensual 0.5 para áreas calientes y húmedas 0.25 para áreas continentales promedio para áreas muy secas o montañosas

36 BIBLIOGRAFIA Sistemas de Comunicaciones Electrónicos W. Tomasi Prentice Hall. Microondas y Recepción Satelital J. A. Bava y A. Sanz - CEILp Sistemas Electrónicos de Comunicaciones R. Blake Thompson. Electrónica Aplicada a los Sistemas de Comunicaciones Frenzel Alfaomega. Reference Data International Telephone and Telegraph Corporation Second Edition Telecommunications Trasmission Handbook- Roger Freeman John Willey & Sons Radio System Design for Telecommunications - Roger Freeman John Willey & Sons

37 CONTINUA

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