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1 Este material llega gracias a: Radio Club de Costa Rica Fraternidad universal a través de la radioexperimentación Materiales del curso, noticias, eventos próximos: Zapote, Rotonda de las Garantías Sociales Contiguo a Industrial BILSA Tel. (506) hq@ti0rc.org Diseño Construcción Administración de proyectos Anteproyectos Planos y especificaciones Presupuestos Permisos/Visados CFIA Inspección / Dirección Remodelaciones Administración total de proyectos Redes de datos y comunicaciones Ing. Mario Meléndez E. Tel. (506) Fax (506) MIG CONSTRUCCIÓN mig@celeridad.net

2 Melendez Esquivel, Mario Fenómenos Ondulatorios y Propagación de Ondas Curso TI Virtual, Radio Club de Costa Rica San José, Costa Rica. Abril p.p. 11 Keywords: ondas, propagación, skip 2001 Este documento es propiedad intelectual de su autor, y no podrá ser empleado ni reproducido para fines comerciales sin autorización explícita escrita. Las opiniones y puntos de vista manifestados representan el resultado de una revisión bibliográfica, y deben ser tomados con las respectivas precauciones, de utilizarse este documento como material técnico de referencia. Las instituciones u organizaciones que aparezcan mencionadas en este trabajo tienen como involucramiento único en el mismo las consultas investigativas que se les puedan haber realizado.

3 Ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas son el fenómeno físico que permite la radiocomunicación, por lo que su estudio se vuelve muy importante para cualquier persona que desee trabajar en este campo. Una onda es un disturbio, una irregularidad momentánea, que se va moviendo a través del espacio. Este movimiento se conoce como la propagación de la onda y puede tener diferentes formas y esquemas. La onda más simple de visualizar es la llamada onda de cuerpo. La onda de cuerpo es una onda que requiere de un medio material para propagarse. Este medio puede ser líquido, sólido o gaseoso, y si no existe la onda no puede propagarse. Ejemplos de ondas de cuerpo son las ondas de sonido (causadas por compresión y descompresión del aire), el oleaje de las masas de agua (ondas superficiales que se propagan por el agua), y los sismos (ondas de choque que se propagan por el suelo). Las ondas que se propagan por la superficie del agua son un ejemplo de ondas de cuerpo. El disturbio inicia en el centro (donde cae la gota) y se propaga radialmente en todas direcciones. Existe otro tipo más complicado de onda conocida como onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas son ondas que se propagan por medio de campos eléctricos y magnéticos (de ahí su nombre). Similar a como las ondas en un lago van propagándose por medio de movimiento de las capas de agua, las ondas electromagnéticas hacen que los campos eléctricos y magnéticos que nos rodean se muevan, permitiéndoles propagarse por el espacio. Ahora, las ondas electromagnéticas tienen una diferencia muy grande comparada con las ondas de cuerpo: no requieren de un medio material para propagarse. Esto significa que una onda electromagnética puede propagarse en el vacío, y es precisamente lo que permite que las ondas de radio sean utilizadas para comunicación en el espacio.

4 Ejemplos de ondas electromagnéticas hay muchos, entre los más conocidos están las ondas de radio, las radiaciones infrarrojas y ultravioletas, y la luz visible. Características de una onda electromagnética: Las ondas electromagnéticas, como cualquier otro fenómeno ondulatorio, poseen ciertas características que permiten diferenciarlas unas de las otras. Forma: toda onda tiene una forma visible que la caracteriza. Existen ondas con forma cuadrada, triangular, y la más conocida forma curva o sinusoidal: Cresta Valle Como se puede ver en la figura, la onda posee puntos altos y puntos bajos. Los puntos altos se llaman crestas, y los puntos bajos se llaman valles. Amplitud: la amplitud de una onda es la distancia entre la cima de la cresta y el fondo del valle. Es la distancia indicada como A en la figura. Longitud: la longitud de una onda es la distancia entre cresta y cresta o entre valle y valle. Comúnmente longitud se abrevia con la letra griega λ y se mide en metros. Velocidad: la onda electromagnética se propaga a través del espacio con una velocidad definida. Esa velocidad tiene variaciones ligeras dependiendo de si la onda viaja por el vacío o por la atmósfera, pero para fines prácticos se ha determinado que es correcto asumirla en kilómetros por segundo. Una onda electromagnética podría, en un segundo, darle la vuelta siete veces al planeta, lo cual hace que la radiocomunicación sea instantánea en cualquier parte del mundo: apenas en Costa Rica se activa el equipo de radio, al otro lado del mundo se escucha la señal. Frecuencia: como dijimos anteriormente, la onda electromagnética se propaga por el espacio a una cierta velocidad. Si nos paramos en un punto cualquiera a ver pasar la onda, notaremos que cada segundo están pasando frente a nosotros una cierta cantidad de crestas (o de valles). Es similar a si estuviéramos viendo pasar un tren con vagones rojos y

5 verdes: cada segundo pasaría un cierto número de vagones rojos (o verdes) frente a nosotros. vagones frecuencia = segundo La cantidad de crestas (o valles) que pasan por un punto definido en un segundo es lo que se conoce como frecuencia de la onda Comúnmente la frecuencia se mide en ciclos por segundo, o Hertz (Hz). Si es muy alta la frecuencia, la podemos expresar en kilohertz (KHz) o Megahertz (MHz). Polarización: una onda electromagnética está conformada por un campo eléctrico y un campo magnético. Estos campos son perpendiculares entre sí, si de alguna forma nos los imagináramos como planos, veríamos que forman una especie de cruz uno con el otro: Campo eléctrico Campo magnético Velocidad Suelo

6 Cuando una onda viaja paralela al suelo, el campo eléctrico puede tomar una de dos orientaciones: puede estar vertical respecto al suelo o puede estar horizontal. A esta orientación del campo eléctrico respecto al suelo se le llama polarización de la onda, y puede ser vertical u horizontal. También existe lo que se conoce como polarización elíptica o circular, donde los dos campos van dando vueltas, y la onda cambia su polarización constantemente. En la figura anterior, la onda tendría polarización vertical respecto al suelo. Ecuación de onda: La ecuación de onda es una relación matemática que existe entre la velocidad, la frecuencia y la longitud de una onda. Es de suponer que esta relación existe por razones lógicas. Si una onda está viajando con mayor velocidad, eso causará que en un segundo pasen más crestas (o valles) frente a nosotros, lo cual causará que tenga una frecuencia más alta. Que pasa si las crestas/valles son muy largos? En ese caso durarán más en pasar y en un segundo pasarán menos, disminuyendo la frecuencia de la onda. Todo esto lo podemos resumir en la siguiente ecuación: Donde v es la velocidad de la onda, f es la frecuencia y λ la longitud. f = La ecuación de onda toma especial importancia a la hora de diseñar antenas, donde se utiliza para determinar la longitud resonante de un conductor. Propagación de ondas: Una vez que la onda electromagnética deja la antena de nuestro transmisor, cómo se mueve a través de la atmósfera? v λ onda: Podemos establecer que en cualquier estación transmisora se generan tres tipos de El primer tipo es una onda que se genera muy cerca del suelo, y que viaja siguiendo las curvas del suelo. Esta onda se conoce como onda terrestre. La onda terrestre es muy poco útil para comunicaciones, debido a que rápidamente pierde su energía. Al tener un componente eléctrico, la onda está sujeta al robo de energía de cualquier conductor que pueda encontrarse en su camino, lo cual hace que rápidamente se vuelva inútil para cualquier propósito.

7 El segundo tipo de onda es una onda que se genera a una altura mayor que la onda terrestre. Esta onda se irradia y sigue una trayectoria directa (sin desvíos) hasta llegar a la estación receptora, o hasta que los obstáculos naturales (cerros, montañas, etc) impidan su paso. Esta segunda onda se conoce como onda directa y es útil para comunicaciones a distancias moderadas. Es utilizada especialmente en las bandas de VHF y superiores para comunicación local. Posee la desventaja de estar sujeta a la topografía de la región, lo cual hace necesario instalar equipos repetidores que permitan que la onda sobrepase los obstáculos terrestres. El tercer tipo de onda es una onda que se eleva hacia el espacio, y puede sufrir reflexión ionosférica. Esta onda se conoce como onda espacial, y es la que permite que se den las comunicaciones a larga distancia en bandas HF. Onda espacial Onda directa Onda terrestre Ionosfera Onda directa Onda espacial Onda terrestre Diferentes tipos de ondas. La onda terrestre es una onda que se ve obstaculizada por edificios e irregularidades topográficas, y es poco útil para comunicaciones. La onda directa es útil para comunicaciones locales, pero también presenta problemas si existe alguna irregularidad topográfica considerable (cerros, montañas, etc). La onda espacial, mediante el rebote ionosférico, es útil para comunicaciones internacionales e intercontinentales. Reflexión ionosférica: En las capas superiores de la atmósfera se encuentra una concentración de ozono (O 3 ), que absorbe las radiaciones solares dañinas y permite que se desarrolle la vida en el

8 planeta. Durante este proceso de eliminación de radiaciones, ocurren reacciones químicas en donde se liberan partículas cargadas, llamadas iones. Los iones descienden hasta una capa inferior conocida como ionosfera. La ionosfera es una capa cargada eléctricamente. Esta carga eléctrica tiene un efecto sobre el campo eléctrico de la onda. Como ya sabemos, las cargas eléctricas iguales se repelen, lo cual significa que si la carga dominante del campo eléctrico es igual a la carga dominante en la ionosfera, la onda sufrirá una repulsión, y se reflejará de vuelta hacia la Tierra. Este fenómeno de reflexión permite que una onda "salte" de una parte del mundo a otra, y cada salto puede perfectamente ser de varios miles de kilómetros. Al llegar a la Tierra de nuevo, la onda puede reflejarse y ascender otra vez. El ascenso la lleva a la ionosfera, donde se refleja de nuevo y se origina un nuevo salto. La serie de saltos lleva la onda hasta los rincones más alejados del planeta, incluso la puede llevar a dar una vuelta completa y llegar de nuevo a su origen. El reflejo ocurre en las ondas que estén por debajo de una cierta frecuencia, que se conoce como Máxima Frecuencia Utilizable (MUF). Esta frecuencia normalmente está situada en algún punto entre 50 y 100 Mhz, dependiendo de las condiciones solares. Por encima del MUF la onda tiene suficiente energía como para atravesar la ionosfera, y puede utilizarse para comunicaciones espaciales. El fenómeno del skip: El reflejo ionosférico de la onda espacial genera un efecto secundario, que es una zona de silencio llamada zona de skip a una cierta distancia de la estación transmisora. En esta zona la señal no puede ser escuchada, debido a que la onda espacial está viajando demasiado alta para ser captada por antenas, y no existe ni onda terrestre ni onda directa que pueda ser recibida. Si consideramos que una onda viaja varios cientos (o miles) de kilómetros antes de reflejarse, es perfectamente posible que ya en ese momento estén inutilizables las ondas terrestres y directas. La importancia del skip radica precisamente en el no poder recibir la transmisión de otra estación si estamos en su zona de skip. Digamos que tenemos la siguiente situación:

9 Analizando la figura, vemos que A y C pueden comunicarse entre ellas, ya que una está en la zona de caída de la onda espacial de la otra. Nosotros, ubicados en B, escucharíamos a A por medio de la onda directa, pero no escucharíamos a C, al estar fuera de su rango directo. Qué sucede si C está transmitiendo y nosotros en ese instante encendemos nuestro equipo? Obviamente no escucharemos nada. Esto puede llevarnos a creer erróneamente que la frecuencia está desocupada, y si en ese momento iniciamos nuestra transmisión, interrumpiremos la señal que arriba a A (al estar más cerca de A, podemos perfectamente obstruir la transmisión de C). El resultado será un llamado por parte de A para que dejemos la frecuencia libre, y si para hacer las cosas peor nos extendimos varios minutos en nuestros llamados, puede ser que hayamos interrumpido por completo la comunicación entre A y C. Por este motivo siempre antes de iniciar una transmisión debemos preguntar, brevemente, si la frecuencia se encuentra en uso. No es necesario hacer extensa la pregunta ni seguir todas las formalidades de indicativos y códigos. Con solo preguntar "está en uso la frecuencia?" será suficiente para que se nos informe si fuera del caso. Así evitaremos interrumpir innecesariamente comunicaciones entre otras estaciones, e incluso cortar eventualmente una comunicación de emergencia que se esté realizando en ese momento. La pregunta la debemos hacer como mínimo tres veces, escuchando unos 5 segundos entre cada llamado. Fenómenos de propagación: Además de la reflexión ionosférica, existen varios fenómenos adicionales que puede sufrir una onda electromagnética, y que dan origen a la propagación que observamos a diario en las bandas de radioaficionados:

10 Refracción: la refracción ocurre cuando una onda pasa de una capa de aire más delgada a una más densa o vice versa. Este paso ocasiona que la onda se desvíe ligeramente de su trayectoria. Es un fenómeno muy ligero, pero para aplicaciones donde la dirección de la onda sea de especial importancia puede resultar determinante. El efecto del lápiz que se quiebra y se dobla en un vaso de agua es provocado por refracción de la luz al pasar entre el aire y el agua. Similar a como la luz se desvía, una señal de radio puede desviarse de su trayectoria original. La desviación de la luz se puede ver en las dos líneas azul y amarilla. Difracción: la difracción de ondas ocurre normalmente cuando una onda electromagnética incide sobre un borde. La onda se separa en una haz que cubre todas las direcciones del borde hacia adelante. Debido a difracción es que a veces se puede escuchar una señal al otro lado de un cerro o una montaña, donde normalmente no sería posible hacerlo. La difracción de una onda que pasa a través de una apertura pequeña (que para una onda de radio puede ser por ejemplo una apertura entre dos montañas o cerros). La lógica dice que lo que debería pasar es una onda del tamaño de la apertura en línea recta, sin embargo la difracción provoca que se forme una nueva onda curva en la apertura que se propaga en todas direcciones. (Resnick, 1993)

11 Difusión: la difusión ocurre naturalmente en todas las ondas, y es un fenómeno que causa que la onda se "esparsa" por el espacio y no siga una trayectoria perfectamente recta. La difusión es el fenómeno que en la luz provoca que las sombras no sean totalmente negras, y en radio provoca que una estación al otro lado de una montaña se pueda escuchar levemente en ocasiones. El fenómeno de difusión demostrado en un líquido. En vez de seguir una trayectoria recta hacia abajo, la línea de colorante se desvía y al mismo tiempo se abre, esparciéndose por todo el recipiente. Algo similar ocurre con las ondas de radio: la onda no sigue una trayectoria perfectamente recta y uniforme, sino que poco a poco se difunde a través de la atmósfera. Indices y ciclos solares: El aspecto final de propagación de ondas que es importante conocer es respecto a los indicadores de actividad solar. La actividad del sol, compuesta por reacciones químico-nucleares, emisión de partículas (conocidas como "viento solar"), y explosiones varias no es constante, sino que existen épocas en donde es más frecuente observar estos fenómenos y épocas donde no lo es. El sol pasa por un ciclo compuesto de una época de alta actividad y una época de baja actividad, cada una con una duración aproximada de 5 a 6 años. El ciclo solar, que es la combinación de esas dos épocas, tiene una duración de 11 años. En este momento el sol se encuentra finalizando su etapa de máxima actividad, y se espera que en los próximos años inicie su descenso hacia la zona de tranquilidad del ciclo. En la parte más baja del ciclo (alrededor del 2006) será muy difícil establecer comunicaciones a largas distancias en frecuencias altas de HF (28/21 Mhz), y prácticamente imposible establecerlas por encima de los 28 Mhz.

12 Si consideramos que las radiaciones solares son las responsables de que se cargue o se descargue la ionosfera, tenemos una muy importante razón para dedicar tiempo a su estudio. Ahora, la ionosfera no es algo que se pueda estudiar matemáticamente y determinar exactamente en qué estado estará, sino que similar a como ocurre con el clima se tienen indicadores y mediciones varias que nos dan una idea general de su estado y de cómo se comportará durante los próximos días. Estos indicadores es lo que se conoce como índices de propagación. Entre los más importantes se encuentran: Flujo solar (solar flux): el flujo solar, o SFI, es una medida de qué tan activo está el sol. Se determina en observatorios solares mediante pruebas con señales en la banda de 2 Ghz, por lo cual muchas veces también se llama flujo de 10.7 cm. El SFI es uno de los indicadores más importantes, y su valor mínimo posible es de Por lo general cuando el SFI está por encima de 120 se considera que las condiciones están "abiertas". Indice A: El índice A es una medida de la absorción que ocurre dentro de la atmósfera a causa de la actividad del campo magnético terrestre, y entre más alto esté mayor absorción existirá. Su valor puede ir desde 1 hasta muy por encima de 100. Cuando se da un índice A por encima de 20, se considera que se tiene un estado de tormenta geomagnética, y la propagación se vuelve muy difícil o imposible. Indice K: El índice K mide lo mismo que el índice A, la actividad geomagnética, con la diferencia de que el K es un promedio de los valores A de las últimas horas. El índice A nos da una idea de cómo se encuentra el campo geomagnético en un instante dado, mientras que el índice K nos dice cómo está cambiando esa actividad en el campo. Un índice K alto quiere decir que la actividad geomagnética va en ascenso, y podemos esperar índices A ascendentes durante las próximas horas. Cuando el índice K supera 20 se considera condición de tormenta geomagnética. Viento solar: el viento solar es una medida de la cantidad de protones que está emitiendo el Sol. Los protones son partículas que contribuyen a descargar la ionosfera, y son generalmente perjudiciales para la propagación. Cuando el sol está emitiendo un exceso de protones puede desencadenar una tormenta geomagnética en la Tierra. Los indicadores anteriormente dados pueden alimentarse a un programa de estudio estadístico de la ionosfera, como lo es el MINIPROP, el cual los analizará y nos dará un reporte de hacia donde tenemos propagación en un momento dado del día y en una frecuencia dada. Esto es especialmente útil para optimizar nuestro tiempo de operación y lograr los comunicados que deseamos en el menor tiempo posible.