RADIOPROPAGACIÓN

INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO

2014-1

CLASES DE ONDAS

• Una onda es un movimiento oscilatorio. La vibración de una partícula excita vibraciones semejantes en las partículas vecinas.

Ondas electromagnéticas V=c

ONDAS LONGITUDINAL

• ONDA LONGITUDINAL: Es una onda en la que la dirección de propagación tiene la misma dirección que el desplazamiento. Ejemplo: Onda superficial de agua, ondas sonoras.

ONDAS ELECTROMAGNETICAS TRANSVERSALES

• TEM: La dirección del desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación.

RADIOFRECUENCIA (RF)

• La propagación de las Ondas Electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia (RF), o simplemente radio propagación. Aunque el espacio libre implica el vacío, con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, y se puede considerar casi siempre así.

• Las ondas TEM se propagan a través de cualquier material dieléctrico, incluyendo el aire.

• Las Ondas de Radio son electromagnéticas y, como la luz, se propagan a través del espacio libre en línea recta y con velocidad de 300.000.000 metros por segundo.

OTRAS FORMAS DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Los rayos infrarrojos.3 x 1011 Hz – 4,3 x 1014

Ultravioleta.7,5 x 1014 Hz – 6 x 1016

Rayos X.6 x 1016 Hz – 5 x 1019

Rayos gamma.5 x 1019 Hz – …

IMPORTANCIA DE LAS ANTENAS EN RF.

• Para propagar las ondas de radio por la atmósfera terrestre se necesita que la energía se irradie de la fuente. A continuación, la energía se debe capturar en el lado de recepción.

• La irradiación y la captura de energía son funciones de las antenas.

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. (Lineal)

• POLARIZACIÓN VERTICAL: Si el campo eléctrico se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre.

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. (Lineal)

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. (Lineal)

• POLARIZACIÓN HORIZONTAL: Si el campo eléctrico se propaga en dirección paralela a la superficie terrestre.

POLARIZACIÓN CIRCULAR Y ELÍPTICA• POLARIZACIÓN CIRCULAR: El eje de polarización gira

a medida que la onda se mueve por el espacio, girando 360 grados por cada longitud de onda de recorrido.

• POLARIZACIÓN ELÍPTICA: El eje de polarización gira a medida que la onda se mueve por el espacio, pero la intensidad de campo varía a medida que cambia la polarización.

RAYOS Y FRENTES DE ONDA

• Los conceptos de Rayo y Frentes de Onda son auxiliares para ilustrar los efectos de la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio vacío.

• RAYO: Se usa para mostrar la dirección relativa de la propagación de una onda electromagnética.

• FRENTE DE ONDA: Representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante.

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA.

• En el espacio libre: 300 x 106 m/s.• En otros medios:

IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DEL MEDIO.

• Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos eléctricos y magnéticos, perpendiculares entre sí.

• La relación entre las intensidades de los campos eléctricos y magnéticos es análoga a la relación entre voltaje y corriente en circuitos.

LEY DE OHM PARA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS.

PARA CIRCUI

TOS

LEY DE OHM

PARA ONDAS

EMLEY DE OHM

Z= Impedancia del medio en ΩE= Intensidad del campo eléctrico en volts por metroH= Intensidad del campo magné-tico en Amperes por metro.

IMPEDANCIA DE UN MEDIO SIN PÉRDIDAS.

IMPEDANCIA EN EL ESPACIO LIBRE.

IMPEDANCIA DE UN MEDIO NO MAGNÉTICO.

• En la mayoría de los medios en los que se propagan las ondas electromagnéticos la permeabilidad es la misma que la del espacio libre y la permitividad se da como una constante dieléctrica . Por lo tanto la impedancia de un medio no magnético es:

DENSIDAD DE POTENCIA E INTENSIDAD DE CAMPO.

• Las ondas electromagnéticas representan el flujo de energía en la dirección de propagación.

• Densidad de Potencia: Es la energía por unidad de tiempo y por unidad de área, y se suele expresar en watts por metro cuadrado.

DENSIDAD DE POTENCIA.

• La rapidez con que la energía pasa a través de una superficie dada en el espacio libre se llama densidad de potencia.

FRENTE DE ONDA ESFÉRICO.

• En un medio sin pérdidas considerando un frente de ondas por una fuente ISOTRÓPICA (antena omnidireccional), la ecuación que expresa la densidad de potencia en cualquier punto de la superficie del frente de onda esférico es:

LEY DEL CUADRADO INVERSO.

• Esto quiere decir que, si por ejemplo, se duplica la distancia a la fuente, la densidad de potencia decrece en un factor de 4.

EJERCICIO 1.

• Determinar, para una antena isotrópica que irradia 100 W de potencia:

a. Densidad de potencia a 1000 m de la fuente.b. Densidad de potencia a 2000 m de la fuente.

EJERCICIO 2.

• Determine la impedancia característica del polietileno, que tiene una constante dieléctrica de 2,3. Rta= 249Ω .

EJERCICIO 3.La resistencia de campo eléctrico del aire es cercana a 3 MV/m. Es posible la formación de arcos a resistencia de campo mayores. Cuál es la densidad de potencia máxima de una onda electromagnética en el aire?. Rta: 23,9 GW/m2

Propagación de Ondas Electromagnéticas

Un principio importante cuando se trata de entender la propagación de ondas electromagnéticas, es el principio de Huygens, el cual puede ser formulado como:

“En cualquier punto de un frente de onda, se puede considerar que se origina un nuevo

frente de onda esférico”.

Las ondas electromagnéticas están sometidas a una serie de efectos: Absorción, Atenuación, Reflexión, Difracción, Refracción e Interferencia.

ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS

• Atenuación: Sucede cuando las ondas se propagan por el espacio libre, se dispersan y resulta una reducción de la densidad de potencia. Este fenómeno se presenta tanto en el vacío como en el espacio terrestre.

• Pérdida por absorción: Dado que la atmósfera terrestre no es un vacío, contiene partículas que pueden absorber energía electromagnética y se produce una reducción de potencia.

ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN

• Las ondas de radio, de cualquier clase, son atenuadas o debilitadas mediante la transferencia de energía al medio en el cual viajan cuando éste no es el vacío.

• La potencia de la onda decrece exponencialmente en el medio, correspondiendo a un decrecimiento lineal en dB.

ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN

• A medida que se aleja un frente de onda de la fuente, el campo electromagnético que irradia la fuente se DISPERSA (la cantidad de ondas por unidad de área es menor).

• La reducción de densidad de potencia con la distancia equivale a una pérdida de potencia y se suele llamar atenuación de onda.

ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS.

REFLEXIÓN.

• Reflejar quiere decir regresar. La reflexión electromagnética se presenta cuando una onda incidente choca con una frontera entre dos medios, y algo o toda la potencia incidente no entra en el segundo material.

• Cuando todas las ondas reflejadas permanecen en el mismo medio, las velocidades de las ondas incidente y reflejada son iguales.

REFLEXIÓN.

REFLEXIÓN.

• La intensidad del campo del voltaje reflejado es menor que la del voltaje incidente.

• Reflexión Difusa: Cuando un frente de onda choca en una superficie irregular, se dispersa en muchas direcciones.

• Reflexión especular: (espejo) Cuando la reflexión ocurre en una superficie perfectamente lisa.

• Reflexión en superficies semiasperas: Mezcla entre difusa y especular.

Tipos de Reflexión.

REFRACCIÓN.

• Cambio de dirección de un rayo al pasar en dirección oblicua de un medio a otro con distinta velocidad de propagación.

• La velocidad a la que se propaga una onda es inversamente proporcional a la densidad del medio en que lo hace.

REFRACCIÓN.

REFRACCIÓN.

• Angulo de Incidencia: Es el ángulo que forman la onda incidente y la normal

• Angulo de Refracción: Es el ángulo que forman la onda refractada y la normal.

Índice de Refracción: (n)

LEY DE SNELL.

LEY DE SNELL.

• El índice de refracción de un material es igual a la raíz cuadrada de su constante dieléctrica. (Ver diapositiva 13)

DIFRACCIÓN.

• Modulación o redistribución de la energía en un frente de onda, al pasar cerca de la orilla de un objeto opaco.

• La difracción es el fenómeno que permite que las ondas luminosas de radio se propaguen en torno a esquinas.

DIFRACCIÓN.

• Cumple el Principio de Huygens, que establece que todo punto sobre determinado frente de onda esférico se puede considerar como una fuente puntual secundaria de ondas electromagnéticas.

DIFRACCIÓN.

INTERFERENCIA

• Se produce siempre que se combinan dos o mas ondas electromagnéticas de tal manera que se degrada el funcionamiento del sistema.

• Se presenta siempre que dos o mas ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simultánea.

EJERCICIO 4.

• Una onda de radio se mueve del aire ( ) al vidrio ( ). Su ángulo de incidencia es 30 grados. Cuál es el ángulo de refracción?

• Rta: 10,3 grados

GANANCIA DE LA ANTENA TRANSMISORA

• Una antena tiene ganancia en aquellas direcciones que irradia mas potencia. No se trata de una ganancia en el sentido que la tienen los amplificadores.

• La antena es un dispositivo pasivo, así que la potencia de salida total no puede ser mayor que la potencia de entrada (es un poco menor debido a las pérdidas).

GANANCIA DE LA ANTENA TRANSMISORA

• Si la antena transmisora tiene ganancia en una determinada dirección, la densidad de potencia en esa dirección se incrementa por la cantidad de ganancia.

EIRP - POTENCIA RADIADA ISOTRÓPICA EFECTIVA

• En determinada dirección, la densidad de potencia es la misma que la que se tendría si la antena transmisora se sustituyera por un radiador isotrópico y la ganancia del transmisor se multiplicara por la ganancia de la antena.

𝐸𝐼𝑅𝑃=𝑃𝑇𝐺𝑇

GANANCIA DE LA ANTENA RECEPTORA.

• La antena receptora absorbe parte de la energía de las ondas de radio que pasan por ella.

• La potencia extraída de una onda por una antena receptora depende de su tamaño físico y su ganancia.

• Despejando de la ecuación anterior:• y

• EL área efectiva es:

• Es común expresar la atenuación del espacio libre como la razón de la potencia recibida a la potencia del transmisor:

• El término indica que las ganancias de la antena se dan con respecto a un radiador isotrópico.

PÉRDIDA DE TRAYECTORIA (PATH LOSS)

• Donde: (ver diapositiva 25)

• A este tipo de perdida también se le conoce como pérdida del espacio libre. En esta expresión no se incluye la atenuación debida a las pérdidas de línea de transmisión o desacoplamiento.

EJEMPLO.

• Un transmisor tiene una salida de potencia de 150W a una frecuencia de portadora de 325MHz. Se conecta a una antena con una ganancia de 12 . La antena receptora se ubica a 10 km y tiene una ganancia de 5 . Calcule la potencia entregada al receptor, suponiendo propagación de espacio libre. Suponga también que no hay pérdidas o desacoplamientos en el sistema.

EJERCICIO.

• Un transmisor tiene una salida de potencia de 10 W a una frecuencia de portadora de 250 MHz. Se conecta mediante 10 m de línea de transmisión que tiene una pérdida de 3dB/100m a una antena con una ganancia de 6 dBi. La antena receptora se ubica a 20km y tiene una ganancia de 4 dBi. Hay una pérdida insignificante en la línea de alimentación del receptor, pero este está desacoplado: la antena y la línea se diseñan para una impedancia de 50 ohms, pero la entrada del receptor es de 75 ohms. Calcule la potencia entregada al receptor, suponiendo propagación en el espacio libre.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

• BALANIS, Constantine. Antenna theory. Analysis and design. Ed. Wiley.

• WAYNE, Tomasi. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial Prentice Hall, 1996.

• BLAKE, Roy. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Editorial Thompson, 2ª Ed. 1902