T1-0Concepto de radio frecuencia [Modo de...

05/10/2010

1

Tema 1: Apartado0

Concepto de radio frecuencia

INSTALACIONES DE RADIOCOMUNICACIONES

Identificación de equipos y elementos de sistemas de radiocomunicaciones

1

Concepto de radio frecuencia

Profesor: Ángel Luís

ObjetivosEsta unidad busca dar al alumno un panorama sobre física de lasondas de radio, como un conocimiento básico necesario paraavanzar en el estudio del tema de las comunicaciones.

La unidad nos introduce a la esencia de los camposelectromagnéticos y sus características. Se presentanbrevemente los conceptos de electromagnetismo, absorción,

2

reflexión, difracción, refracción e interferencia. Se discute el temade la propagación en espacio libre junto con los conceptos depérdida en el espacio libre, zonas de Fresnel, línea de vista ytrayectoria múltiple.

Indice

• Conceptos previos

• Onda Electromagnética

• Parámetros de una onda electromagnética (OE)

• Espectro electromagnético

3

• Propagación

• Efectos dependientes de la frecuencia

• Propagación radial en espacio libre

La comunicación es un concepto amplio que engloba a cualquiersistema de transferencia de información entre dos puntos.En nuestro caso la información está contenida en alguno de losparámetros (amplitud, frecuencia, desfase) de una señal eléctrica(tensión o corriente).

InformaciónTransmisión de la información a

Conceptos previos

4

Transmisor

Información

ReceptorMediofísico

distancia

Medios habituales de comunicación son:Cables eléctricos (par trenzado, cable coaxial, etc)Ondas electromagnéticas (Radio, enlaces de microondas)Señales ópticas (Infrarrojos)

Conceptos previos

Esta presentación se centra principalmente en la transmisión Radioeléctrica.

5

Transmisión radioeléctrica

Información Antena

Conceptos previos

6

Transmisor

Información

ReceptorLínea de

transmisión

Antena

Línea de transmisión

05/10/2010

2

Indice





7

• Propagación



En general, una onda es una perturbación de alguna propiedad deun medio, que se propaga a través del espacio transportandoenergía.

Onda Electromagnética

8

Una onda electromagnética es la forma de propagación de laradiación electromagnética a través del espacio.

La radiación electromagnética, conocida también como ondaelectromagnética, es una onda que se propaga en el espacio concomponentes eléctricos y magnéticos Los componentes eléctricos ymagnéticos oscilan perpendiculares uno respecto al otro y endirección a la línea de propagación.


9

En el entorno de un conductor por el que circula una corrienteaparecen dos campos de fuerza perpendiculares entre si: Unoeléctrico y otro magnético. El conjunto se denomina campoelectromagnético que se propaga a la velocidad de la luz (c = 3. 108

m/s) en dirección perpendicular a los dos campos.

H


10

I

Campo magnético

I+ -

E

Campo eléctricoE

HSentido depropagación

Onda ElectromagnéticaA diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticasno necesitan de un medio material para propagarse. Estas sepropagan por el aire o el vacío y su velocidad de propagación esuna proporción de la velocidad de la luz. En el vacío la velocidad depropagación de una onda es de 300000Km/seg. Esta velocidad noes alcanzable por ningún otro movimiento en la naturaleza ycuando atraviesa un medio con mayor densidad la velocidad depropagación es menor

11

propagación es menor.

Sustancia Velocidad de la luzAire 299.912km/sAgua 224.900km/sHielo 229.182km/sVidrio 189.873km/sDiamante 124.018km/s

Indice





12

• Propagación



05/10/2010

3

x

λ

t

T

Parámetros de una onda electromagnética (OE)

13

λ = C. T

T = 1/f

C = λ. f

λ = longitud de onda

T = periodo

f = frecuencia

c = velocidad (≅ 3.108 m/s)La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos frentes de onda.

Frecuencia: Es una medida para indicar el número derepeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en launidad de tiempo. Su unidad de medida es el Hertz (ciclos/seg).Un Hertz es aquel suceso o fenómeno repetido una vez porsegundo.


14

Amplitud: Es la distancia desde el punto más alto de la onda(desde el pico) hasta la base de la onda (el eje horizontal deequilibrio). Sus unidades son los Voltios


15

Longitud de Onda: Es la distancia entre dos crestasconsecutivas. En otras palabras describe lo largo que es laonda. Se representa por el símbolo griego λ(lambda) y semide en metros.


16

La frecuencia y la longitud de onda tienen la siguiente relación:

donde:

c = la velocidad de la luz [m/s] (3x108 m/s = 300.000 km/s en el vacío)


17

l = longitud de onda [m]

f = frecuencia [1/s] (Hz)

De esta manera, una onda electromagnética con una frecuencia de 2,4 GHz tiene una longitud de onda de 12,5 cm.

Toda onda electromagnética (incluyendo la luz o una señal de radio)viaja a la velocidad de la luz, por lo que necesita 1.3 segundos pararecorrer la distancia entre la luna y la tierra, 8 minutos desde el sol y300 micro segundos para recorrer 100 km.

A continuación se ve un repaso de las notaciones de “potencias de 10”, las cuales son usadas en todo tipo de unidades, ej. micrómetro, kilohertz y megabytes.


18

05/10/2010

4

La disposición de los campos, a medida que se propagan,establecerá la polarización de la señal emitida.

La polarización es la dirección el campo eléctrico en una ondaque se propaga.

Polarización de la Ondas electromagnéticas

19

E

Dirección de ió

-

- +

E

H

Dirección de propagación


20

Hpropagación

+

ANTENA VERTICAL ANTENA HORIZONTAL

Polarización de la Ondas electromagnéticas •Para realizar una clasificación, se toma como referencia el plano depropagación del campo eléctrico.

21

Polarización de la Ondas electromagnéticas •Podemos encontrar propagaciones en las que los camposmantienen su posición durante todo el trayecto, a las que llamaremos“polarizaciones lineales”.•Por el contrario, existen también polarizaciones circulares, en las quelos campos van girando a medida que avanzan por el aire, por lo queen función del punto o del momento en que las midamos,observaremos un ángulo diferente de polarización.•En las polarizaciones circulares el campo eléctrico puede ser

22

•En las polarizaciones circulares el campo eléctrico puede serconstante o varias según giramos; así obtenemos polarizacioneselípticas.


•Cada una de estas clasificaciones se divide, a su vez, en dos,surgiendo así cuatro tipos de polarizaciones.

Polar

LinealVertical

Horizontal

Levórica(horaria)

23

rización

CircularLevórica(horaria)

Dextrógica(antihorária)

ElipticaLevórica(horaria)

Dextrógica(antihorária)

Indice





25

p g

• Propagación



05/10/2010

5

El conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro. Es larepresentación sobre un eje de todas las frecuencias. Comosabemos, existe una relación entre la f y la λ, por tanto también eneste eje representamos longitudes de ondas.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación demenor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X,pasando por la luz visibles y los rayos infrarrojos, hasta las ondas

l t éti d l it d d d l d

Espectro de la ondas electromagnéticas

26

electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondasde radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeñoposible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo seríael tamaño del Universo aunque formalmente el espectroelectromagnético es infinito y continuo. ).


27

La luz es una onda electromagnética así como las ondas deradio. Todas las diferentes ondas se encuentran agrupadas en unespectro que contiene todo el rango de radiación desde la luzvisible a la no visible como: infrarrojos, ultravioletas, o rayos tanenergético y peligrosos como los rayo gamma, los rayos X o lasmicroondas.

En sistemas de comunicación, navegación o emisión de


28

, gtelevisión se trabaja con frecuencias comprendidas entre 300MHz y 3000 Mhz, que expresado en longitud de onda es de 1 m a0,1 m.

El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto deondas radiélectricas cuya frecuncia está comprendida entre 3kHzy 300GHz.

Internacionalmente, se ha dividido todo el espectro defrecuencias en las denominadas bandas de frecuencia. Esto sehace así para poder delimitar el acceso de los usuarios a estasbandas. Hay que mencionar que estas clasificación no es global yque algunos países defieren en su delimitación, pero, en generalpodemos aceptarlas como generales.


29

Bandas de frecuencia.- Es el margen de frecuencias que debenutilizarse según las atribuciones de los diferentes servicios deradiocomunicación. Estas atribuciones las asigna la UIT (UniónInternacional de Telecomunicaciones).

La banda de frecuencias asignada a una estación, es labanda de frecuencias en el interior de la cual se autoriza laemisión de una estación determinada. La anchura de esta banda

i l l h d l b d i l d bl d l


30

es igual a la anchura de la banda necesaria mas el doble delvalor absoluto de la tolerancia de frecuencias. (Desviaciónmáxima admisible entre la frecuencia asignada y la situada en elcentro de la banda).

Nomenclatura de las bandas de frecuencia.- El espectro deradioeléctrico se subdivide en nueve bandas de frecuencias, quese designan por números enteros en orden creciente. Dado quela unidad de frecuencia es el hertzio (Hz), las frecuencias seexpresan:

Kilohertzios (Khz) hasta 3000 Khz, inclusive.

Megahertzios (MHz) por encima de 3 MHz hasta 3000 MHz


31

g ( ) pinclusive.

Gigahertzios (Ghz) por encima de 3 GHz hasta 3000 GHz inclusive.

Para las bandas de frecuencias por en cima de 3000 GHz, esdecir , para las ondas centimilimétricas, micrométricas ydecimicrométricas, conviene utilizar el Terahertzio (THz).

05/10/2010

6

Nomenclatura de las bandas de frecuencia.-

La designación numérica sigue la siguiente regla: la banda “n” seextiende desde 0,3 x 10n Hz hasta 3 x 10n Hz, excluido el límiteinferior e incluido el límite superior, tal como se refleja en lasiguiente tabla:


32


33

Las bandas de fecuencia más bajas se reservan para lasemisoras que transmiten en AM, mientras que las de FMtransmiten sobre los 100MHz.La única banda que está libre para cualquier uso (comoradiocontrol) y para cualquier persona es la banda de los 27MHz ,pero, debido a esto, está bastante saturada y sólo es convenienteutilizarla para practicar con montajes caseros y sistemas de pocoalcance, es decir, de no más de 100m.


34

, ,

Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia ysu longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias sedenomina espectro.

Aplicaciones

Experimental

ExperimentalNavegaciónSatélite a satéliteRepetidor de microondasTierra a satéliteRadar

10-6 m

1 cm

Ultravioleta

visible

Infrarrojo

Ondas milimétricas

1015 Hz

1014 Hz

100 GHz

10 GH

Medios

Rayos láser

radio en microondas

Fibra óptica

Guías de onda


35

Radar

UHF TVMoviles, aeronáuticaVHF TV y FMRadio MóvilNegociosRadio aficionadosinternacionalBanda Civil

Radiodifusión AMAeronáuticaCable submarinoNavegaciónRadio transoceánica

TeléfonoTelégrafo

10 cm

1 m

10 m

100 m

1 Km

10 Km

100 Km

Frecuencias super altas (SHF)

Frecuencias ultra altas (UHF)

Frecuencias muy altas (VHF)

Frecuencias Altas (HF)

Frecuencias Medias (MF)

Frecuencias Bajas (LF)

Frecuencias muy bajas (VLF)

Audio

10 GHz

1 GHz

100 MHz

10 MHz

100 KHz

10 KHz

1 KHz

10 MHz

radio en microondas

Radio en onda corta

radio en onda larga

Cable coaxial

Par de alambres

El término longitud de onda se utiliza cuando se habla de ondasque se transmiten por el aire, como por ejemplo las ondas deradio o televisión y que tienen una frecuencia muy elevada.

Resulta más fácil entonces definirlas por su longitud que es ladistancia (expresada generalmente en metros) que recorre unciclo completo de la onda en el espacio. Por ejemplo: unalongitud de onda de 1 metro significa que la onda recorre en el


36

longitud de onda de 1 metro significa que la onda recorre en elespacio un metro de una cresta a otra, lo cual da una idea de suvelocidad o frecuencia.

Cuanto mayor es la frecuencia, menor será la longitud de onda.

f

DC 50 300 20K

VozAudio

103

2M 4M

RadioHectométricasBLU

Socorro =

22M

DecamétricasBLU

1G 10G 100G

109 1011

Infrarrojo

Visible UV

1012 1013 1014

RayosCósmicos

1015 1016

RadarMicroondas

156M 162M

FM(VHF)

RADAR MARINO

Banda X: 5.2 - 10.9 GHz

1010

Espectro electromagnético

37

2182 KHz( )

25 KHz

156.80MHz

Canal 16(Socorro)

f

C15 C16 C17

156.76M 156.80M 156.85M

25 KHz

f

dB

Banda S: 1.65 - 5.2 GHz

05/10/2010

7

En televisión y FM, se utilizan otras denominaciones como bandaI , banda II, banda III, banda IV y banda V.


Banda Frec. Mínima Frec. Máxima Canales

I 47MHz 68MHz 2,3,4 VHF

38

II 88MHz 108MHz FM

III 174MHz 230MHz 5 al 12 VHF

IV 470MHz 606MHz 21 al 37 UHF

V 606MHZ 862MHz 38 al 69 UHF

En frecuencias de microondas, se utilizan otras denominacionescomo bandas L, C, S, X que provienen de los primeros tiemposdel radar.


Banda Frec. Mínima

Frec. Máxima λmáxima λ mínima

L 1GHz 2GHz 30 cm 15 cm

39

S 2GHz 4GHz 15 cm 7.5 cm

C 4GHz 8GHz 7.5 cm 3.75 cm

X 8GHz 12.4GHz 3.75 cm 2.42 cm

Ku 12.4GHz 18GHz 2.42 cm 1.66 cm

K 18GHz 26.5GHz 1.66 cm 11.1 cm

Ka 26.5GHz 40GHz 11.1 cm 7.5 cm

mm 40GHz 300GHz 7.5 cm 1 mm

En frecuencias superiores, nos encontramos con la parte delespectro electromagnético correspondiente al infrarrojo,visible yultravioleta. En frecuencias superiores, tenemos los rayos X y losrayos Gamma, de energía mayor y de longitudes de onda másreducidas.


Banda Denominación Frec. Frec. λmáxima λ mínima

40

Banda Denominación Mínima Máxima λmáxima λ mínima

Rgión submilimétrica 300GHz 800GHz 1 mm 0,4 mm

IR Infrarrojos 800GHz 400THz 0,4 mm 0,8 μm

V Visibles 400THz 750THz 0,8 μm 0,4 μm

UV Ultravioleta 750THz 10000GHz 400 nm 12 nm


42

Indice





45

p g

• Propagación



Cuando se emiten las ondas electromagnéticas, interaccionan conlas moléculas del aire, transmitiendo los campos creados a travésdel espacio que los separa del receptor. A medida que la onda sepropaga, su energía va decreciendo, debido al efecto de laabsorción de la señal propia del medio por el cual transcurre.El modo en que se produce la propagación no es uniforme, dependefundamentalmente de la frecuencia.

Propagación de las ondas electromagnéticas

46

Esto se debe a que la naturaleza y la densidad del aire que rodeanla superficie terrestre no son constantes. Mientras que las capasbajas suelen ser transparentes ante las ondas, a partir de unos 50km y hasta unos 400 km de altura, encontramos una capaatmosférica con importantes efectos sobre la propagación: laionosfera. Esta zona, cuya densidad crece con la altura , tiene laparticularidad de ionizarse ante las radiaciones solares, por lo que,dependiendo de la frecuencia y el momento del día, puedecomportarse como un espejo, reflejando las ondas, o permitir queestás la atraviesen, con un mayor o menor grado de refracción.

05/10/2010

8

Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos queconducen a las ondas de radio con el mensaje del transmisor alreceptor. Esta propagación puede realizarse siguiendo diferentesfundamentos físicos, cada uno más adecuado para un grupo defrecuencias de la onda a transmitir.


Las ondas electromagnéticas están están sometidas a una serie de

47

Las ondas electromagnéticas están están sometidas a una serie deefectos: Absorción, Reflexión, Difracción, Refracción eInterferencia. Estos fenómenos son de gran importancia para lascomunicaciones inalámbricas.

Principio de Huygens

Un principio importante cuando se trata de entender la propagaciónde ondas electromagnéticas, y por ende de ondas de radio, es elprincipio de Huygens, el cual en su forma simplificada puede serformulado como:


48

“En cualquier punto de un frente de onda, se puedeconsiderar que se origina un nuevo frente de ondaesférico”.

“En cualquier punto de un frente de onda, se puedeconsiderar que se origina un nuevo frente de ondaesférico”.

Principio de Huygens

Si sumamos las ondas esféricas de un frente de onda, entendemospor qué un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza.El principio de Huygens también explica por qué la luz (ondas deradio, o cualquier onda electromagnética) no siempre viaja en línearecta.


49

Una onda se propaga en línea rectasolamente en el vacío, en cualquierotro medio puede cambiar sutrayectoria debido a la presencia deobstáculos o de diferencias en lacomposición del medio.

Coneptos básicos de la propagación de RFAbsorción

Es la pérdida de energía en el medio de propagación

La potencia decrece de manera exponencial

La energía absorbida generalmente se transforma en calor

50

Las ondas de radio, de cualquier clase, son atenuadas o debilitadasmediante la transferencia de energía al medio en el cual viajancuando éste no es el vacío.

Coneptos básicos de la propagación de RFAbsorción

En general, encontramos una fuerte absorción en los materialesconductores, sobre todo en metales.

El otro material absorbente para las ondas, en las frecuenciasrelevantes a las redes inalámbricas, (rango de microondas) es elagua en todas sus formas (lluvia, neblina, y la contenida en el cuerpoh )

51

humano).Encontramos absorción intermedia en rocas, ladrillos y concreto,dependiendo de la composición de los materiales. Lo mismofunciona para la madera, árboles y otros materiales; sucomportamiento es fundamentalmente determinado por suconcentración de agua.

En el contexto de la absorción de las ondas de radio, los sereshumanos y muchos animales pueden ser vistos como recipientes deagua, en consecuencia como materiales absorbentes prominentes.

Coneptos básicos de la propagación de RFRefracción

Cuando una onda pasa de un medio a otro de densidad diferente,cambia de velocidad y en consecuencia de dirección.

Las líneas azules representan elfrente de onda entrantemientras que las rojas

t l f t d d

52

Refracción de ondas

representan el frente de ondasdesviadas por la refracción. C1es un medio con una velocidadde propagación mayor a C2. Elángulo que forman ambosfrentes de onda depende de lacomposición del material delobstáculo (C2).

05/10/2010

9

Coneptos básicos de la propagación de RFRefracción

Las ondas de radio están expuestas a sufrir una desviación en sutrayecto cuando atraviesan de un medio a otro con densidad distinta,en comunicaciones este efecto sucede cuando las ondaselectromagnéticas atraviesan las distintas capas de la atmósferavariando su trayectoria un cierto ángulo.

53

Coneptos básicos de la propagación de RFRefrexión

Todos conocemos la reflexión de las ondas visibles en espejos osuperficies de agua. Para la radiofrecuencia, la reflexión ocurreprincipalmente en el metal, pero también en superficies de agua yotros materiales con propiedades similares. El principio básico de lareflexión es que una onda se refleja con el mismo ángulo con el queimpacta una superficie.

54

impacta una superficie.

Reflexión de una onda

Ángulo de incidencia = Ángulo de reflexiónÁngulo de incidencia = Ángulo de reflexión

Coneptos básicos de la propagación de RFRefrexiónDos casos importantes de reflexión: en una superficie plana y en unasuperficie parabólica.

55

Reflexión en Plano Reflexión en una parábola

Coneptos básicos de la propagación de RFRefrexiónLas ondas de radio atraviesan las distintas capas de la atmósfera,desde la tropósfera hasta la ionosfera y si los índices de refractividadde cada una de estas capas son muy diferentes. Estos distintosíndices pueden llegar a producir reflexión total, siendo lasfrecuencias de VHF y superiores las más propensas a estadesviación de trayectoria.

56

Coneptos básicos de la propagación de RFDispersión

El efecto de la dispersión ocurre cuando las ondas de radioatraviesan alguna masa de electrones o pequeñas gotas de agua enáreas suficientemente grandes. En comunicaciones de radio esimportante mencionar que la dispersión de la señal generada porlluvia depende de la comparación del tamaño de la longitud de ondade la señal y el diámetro de la gota de lluvia. Si el diámetro de la

57

de la señal y el diámetro de la gota de lluvia. Si el diámetro de lagota de lluvia es menor a la longitud de onda la atenuación serápequeña, pero ésta se acrecentará si el diámetro de la gota supera ala longitud de onda de al señal. Generalmente la refracción seproduce solamente a determinados ángulos. Este efecto es similar alque ocurre a la luz intentando atravesar la niebla.

Coneptos básicos de la propagación de RFDifracción

Como consecuencia del principio de Huygens, cada punto de unobstáculo genera un nuevo frente de ondas, el nuevo frente puederodear un obstáculo.

Es proporcional a la longitudde onda

Es proporcional a la longitudde onda

58

Las ondas mas largas sedifractan más, dando laimpresión de “voltear laesquina”

Las radios AM que operanen 1000 kHz (l= 300 m) norequieren línea de vista y sepropagan a gran distancia

Las ondas mas largas sedifractan más, dando laimpresión de “voltear laesquina”

Las radios AM que operanen 1000 kHz (l= 300 m) norequieren línea de vista y sepropagan a gran distancia

05/10/2010

10

Coneptos básicos de la propagación de RFDifracción

La difracción es un fenómeno basado en el hecho de que las ondasno se propagan en una sola dirección. Ocurre cuando las ondasencuentran un obstáculo en su trayectoria y divergen en muchoshaces. La difracción implica que las ondas pueden “dar la vuelta” enuna esquina.

59

Coneptos básicos de la propagación de RFInterferenciaLas ondas con una misma frecuencia y una relación de fase(posición relativa de las ondas) constante pueden anularse entre sí,de manera de la suma de una onda con otra puede resultar en cero.

60

Para que esto ocurra en su forma más pura (anulación máxima oamplificación completa), las ondas deben tener exactamente la mismalongitud de onda y energía, y una relación de fase específica y constante.

En tecnología inalámbrica, la palabra interferencia se usa típicamente enun sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones deradio frecuencia.

Los modos de propagación más frecuentes son:•La propagación ionosférica.•La propagación troposférica u onda directa.•La propagación por onda de superficie.


61

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que poseen unacomponente eléctrica y una componente magnética y como tales,están expuestas a ciertos fenómenos los cuales son capaces demodificar el patrón de propagación de las ondas.En condiciones especiales y con una atmósfera uniforme (vacío), lasondas de radio tienden a desplazarse en línea resta, esto quieredecir que siempre que haya una línea de vista entre emisor y el

Propagación de las ondas electromagnéticasCaracterística de la Propagación de RF

62

decir que siempre que haya una línea de vista entre emisor y elreceptor, este tipo de comunicaciones será bastante eficiente, pero sise requiere de una comunicación de un punto a otro, el cual seencuentra más allá del horizonte, tendremos que tomar en cuentalas distintas condiciones de propagación y las adecuadasfrecuencias para su correcta comunicación.

Para realizar comunicaciones seguras entre dos puntos lejanos y sinsalir de la atmósfera, se utilizan frecuencias denominadas altasfrecuencias (High frecuency) ó HF que van de 3MHz a los 30MHz yaque estas frecuencias son reflejadas en la atmósfera y regresan a latierra a gran distancia.Las frecuencias en orden de VHF, UHF y SHF no se reflejan en laatmósfera salvo en ciertas circunstancias es por esto que sólo son

Propagación de las ondas electromagnéticasCaracterística de la Propagación de RF

63

atmósfera salvo en ciertas circunstancias, es por esto que sólo sonútiles en comunicaciones de punto a punto y satelitales. No sepodría hablar de comunicación por medio de ondas de radio agrandes distancias si no se toman ciertos fenómenos en cuentacomo lo son la refracción, reflexión, dispersión y difracción los cualeshacen posible la comunicación entre dos puntos más allá delhorizonte.

• Cuando la frecuencia de la señal se encuentra en las bandas másbajas, se puede utilizar la característica de la superficie terrestre dedifractar las ondas a medida que se propagan, por lo que la señalserá capaz de seguir la curvatura de la tierra.

• En este caso, se debe tener en cuenta la conductividad del suelo porel que transcurrirá nuestra señal: si la transmisión se realiza sobre lasuperficie del mar, con una conductividad muy alta, se podrán cubrirmiles de kilómetros; en ambientes urbanos, donde existennumerosos obstáculos verticales de diferentes alturas las ondas

Propagación por onda de superficie

64

numerosos obstáculos verticales de diferentes alturas, las ondassufrirán una rápida atenuación.

05/10/2010

11

Característica eléctricas de mar y tierra

Emisor

Tierra

Las ondas de superficie siguen la curvatura de la tierra.Su alcance depende de lanaturaleza del suelo, de lafrecuencia y de la potencia deemisión.

Propagación por onda de superficie

65

Dato para el mar:La conductividad de la superficie es un factor muy importante (amayor conductividad mayor alcance)

Conductividad de un terreno boscoso = 8. 10-3 S/mConductividad de un suelo urbano = 1. 10-3 S/mConductividad del agua salada = 5 S/m

S = Siemens = Ω-1

Parte de la energía es absorbida por el suelo (provoca corrientesinducidas).La absorción es mayor con polarización horizontal (mejor usarpolarización vertical).

• Por encima de los 30MHz, la longitud de onda de las señales es tanpequeña que puede atravesar incluso las capas superiores de laionosfera. Esto supone que, para propagar señales de VHF ysuperiores deberemos utilizar un enlace directo sin obstáculos,garantizando el contacto visual entre el emisor y el receptor. Comolas señales de televisión se encuentran siempre dentro de estegrupo, la onda directa será el único método efectivo en lapropagación de dichas ondas.

Propagación por onda directa

66

Tx Rx

ONDA DIRECTA

EMISOR RECEPTOR

• Si queremos emitir alguna señal de forma que atraviese la ionosfera,como el caso de las comunicaciones vía satélite, habrá que elegirfrecuencias de transmisión elevadas, puesto que estás presentaránuna menor atenuación en la ionosfera, así como un menor refracción(desviación sobre la dirección inicial) al atravesarla. Para estaaplicación, se suelen utilizar frecuencias de SHF y EHF,denominadas habitualmente frecuencias de microondas.


67

ht hrdt dr

d

Altura del emisor Altura del receptor


68

hrhththtdrdtd 171722 +=+=+=

La distancia máxima entre un transmisor y un receptor sobre terreno promedio se puede aproximar por

d(max)=La distancia máxima entre un transmisor y un receptor (Kilómetros)ht= altura de la antena transmisora (metros)hr= altura de la antena receptora (metros)

IonosferaSe extiende de los 85 a 700Km de altura. Contribuye esencialmenteen la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficieterrestre posibilitando que estás puedan viajar grandes distanciassobre la Tierra, gracias a las partículas de iones (cargadas deelectricidad ) presentes en esta capa.

71

IonosferaDependiendo del grado de ionización de cada nivel de altura puedenencontrarse picos de ionización en capas denominadas “D”, “E”,“F1”, y “F2”. El grado de ionización es producido directamente por laacción solar. Una actividad anómala del Sol puede alterar laspropiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar la sondas deradio terrestres.

72

05/10/2010

12

IonosferaCapa DCapa de Absorción situada entre 50 y 80Km de altura. Sólo aparecedurante el día y es sumamente absorbente para frecuencias pordebajo de unos 10MHz, protegiendo la superficie terrestre de granparte de la radiación espacial. Sus características varían según elnúmero de manchas solares o las variaciones del campo magnéticoterrestre.

73

Capa ECapa de Gas Ionizado entre 90 y 160Km de altura. Refleja ondas deradio de frecuencia media (MF). Varía según las horas del día.

Día: Más cercana a la tierraNoche: Más lejana a la tierra.Consecuencia: Distancia de Propagación

IonosferaCapa FCaracterizada por su capacidad de reflejar las ondaselectromagnéticas de una determinada frecuencia que la atraviesa.Situada entre 300 y 500Km de altura. Las ondas deben tener:

•Una frecuencia inferior a 10MHz•Una frecuencia superior a 3MHz•Se pueden conseguir propagaciones de hasta 4000Km por cada salto

74

• Para las bandas MF y HF la ionosfera se comporta como un espejo,reflejándose en capas más altas cuanto mayor es la frecuencia. Sidireccionamos el frente de ondas hacia arriba, podremos calcular lazona en la que la señal reflejada llegará a la tierra a partir del ángulode emisión.

Propagación por reflexión ionosférica

75

Si utilizamos este sistema, deberemos tener en cuenta que durante lanoche la ionosfera disminuye notablemente su espesor. Así, cuandotransmitimos una señal de 5MHz por el día, la señal electromagnéticase refleja a unos 50Km de altura; mientras que, durante la noche, lamisma onda puede elevarse unos 200Km antes de ser dirigida hacia laTierra, por lo que la zona a cubrir está mucho más lejana.

Si se desea cubrir tanto la zona próxima al emisor como otra más


76

plejana, se pueden utilizar conjuntamente las propagaciones por onda desuperficie en la zona más cercana y por reflexión ionosférica en al zonamás distante.

Características eléctricas en el espacio

En principio el aire es un medio transparente a las oem. Determinados fenómenos pueden producir la ionización del aire y hacer que se comporte como un medio opaco a las oem.

IONOSFERA: Capa ionizada de la atmósfera, capaz de reflejar oem (se encuentra a 60 - 400 Km) de altitud


77

E

R

Reflexión doble

E R

Reflexión simple

Ionosfera

Capas de la ionosferaCapa D (69-90 Km) Su ionización varia en función del ángulo cenital del sol. Solo existe durante el día. Refleja frecuencias bajas. Atenúa las frecuencias medias y altas

Capa E (90-130 Km) Es muy regular en su comportamiento yformación. Permite la propagación de ondas HF a distancias dehasta 1600 Km durante el día y superiores durante la noche.


78

Capa F (150 - 450 Km) Se subdivide en dos.

Capa F1 (150 - 250 Km) existe principalmente durante el día. Aveces puede reflejar ondas HF. Lo mas habitual es que las ondasque penetran en la capa E, atraviesen también la F1 (atenuaciónpor absorción) y se reflejen en la F2.

Capa F2 (300 - 450 Km) Es la principal capa reflectora paracomunicaciones HF de larga distancia. Conserva su ionizacióndurante la noche. Durante la noche las capas F1 y F2 se fundenen una sola capa a unos 300 -400 Km de altura.

05/10/2010

13

300

400

500

CAPA F2

300

400

500

CAPA F2 300

400

500

CAPA F

[Km] [Km] [Km]Capas de la ionosfera


79

100

200

300

CAPA D

CAPA E

CAPA F1

Verano(día)

100

200

300

CAPA D

CAPA F2

Invierno(día)

CAPA E

CAPA F1

100

200

300

Invierno y verano(noche)

CAPA E

ER

Onda ionosféricaOnda de escape

Ondas de tierraOnda directaOnda reflejadaOnda de superficie

Onda de superficieSe propaga paralelamente al suelo

Onda reflejadaSe refleja en la superficie terrestre

Onda directaCamino directo

O d i fé i

Trayectoria de las ondas electromagnéticas

80

ROnda ionosféricaSe refleja en la ionosfera

Onda de escapeSe pierde en el espacio.

Nota. Alguna veces se usa el "rebote lunar".

A partir de una frecuenciacrítica (aprox. 30 MHz) laonda es capaz de atravesar laionsfera. Depende del ángulode incidencia (ángulo críticopara cada frecuencia).

Zonas de silencio

En las zonas de silencio no llegan ni las ondas de superficie ni las ionosféricas.


81

Desvanecimiento o "Fading":

Debido a que las ondas puedenseguir distintos caminos ypueden llegar desfasadas (p.e.una positiva y otra negativa) laseñal puede desaparecer endeterminados puntos de teóricacobertura.

Desvanecimiento o "Fading"(entre una onda de superficie y otra reflejada)

E


82

Desvanecimiento o "Fading"(entre dos ondas reflejadas)

Puede producirse entre dosondas reflejadas o entre unaonda de superficie y otrareflejada.

Propagación de las ondas de radio y TVLas ondas de radio y televisión son ondas electromagnéticas quese propagan por el aire con una velocidad igual a la de la luz(300.000km/s).Cuando una antena emite ondas de radio, crea a su alrededor uncampo electromagnético cuya intensidad es resultado de laintensidad eléctrica que circula por la antena.A medida que se aleja la onda electromagnética de la antena, estásufre una atenuación proporcional a su frecuencia de modo que

83

sufre una atenuación proporcional a su frecuencia, de modo que,cuanto mayor sea la frecuencia de al señal, mayor será laatenuación que sufra la señal.Las ondas que se emiten por una antena se pueden clasificar segúnel tipo de propagación en:

Ondas de tierrraSe propagan por la superficie de la tierra.

Ondas espacialesSon las ondas propagadas al espacio y que constituyen la

base de las telecomunicaciones. La atenuación de este tipo deondas es menor que en el caso de las ondas terrenas.

Propagación de las ondas de radio y TVEl sistema de transmisión que se utiliza depende del tipo defrecuencia que se quiera transmitir. Así, por ejemplo:

Emisiones de onda larga (LW:150 a 285 KHz):Este tipo de emisiones se realiza generalmente por ondas desuperficie. Estas frecuencias corresponden a la banda LF(30-300KHz) y la longitud de onda es superior al kilómetro. Con latransmisión por ondas de superficie se pueden conseguir distancias

84

transmisión por ondas de superficie se pueden conseguir distanciasde cobertura inferiores a 1000Km.

05/10/2010

14

Propagación de las ondas de radio y TV

Emisiones de onda media (MW:552 a 1060 KHz):Este tipo de señales puede realizarse por ondas de superficie y porondas espaciales. La atenuación de las ondas que se transmiten porla superficie es mayor que en el caso de las emisiones de ondalarga.Durante el día, la propagación de esta clase de ondas se realiza porondas de superficie con coberturas del orden de cientos de

85

kilómetros y, durante la noche, la propagación de este tipo de ondasse produce por efecto de la ionosfera, llegando a alcanzar distanciasdel orden de 1000Km.


Emisiones de onda corta (SW: 2,3 a 26,1 MHz):La radiación de estas ondas se realiza mediante ondas espaciales,debido a la atenuación que sufren las ondas de superficie cuando setrabaja con frecuencias tan altas. Este tipo de transmisión se hanutilizado durante mucho tiempo para las emisiones de programas deradio a otros países debido a su gran alcance. Hoy en día, con lallegada de las transmisiones vía satélite, este tipo de transmisiones

86

de radio casi no se emplea.


Emisiones de onda ultracortas:Bandas I: 47 a 68 MHzBandas II: 87,5 a 108 MHzBandas III: 75 a 230 MHzBandas IV y V: 470 a 850 MHz

Las emisiones de ondas ultracortas corresponden a la banda deUHF y VHF. En estas bandas se encuentran los servicios de

87

radiodifusión en FM y televisión terrena.La propagación se realiza por trayectos rectilíneos que se puedenver alterados por efectos de la refracción atmosférica.La difracción posibilita, en ciertos casos, la recepción sin visibilidaddirecta.La cobertura se encuentra limitada a algunas decenas de kilómetros,si bien, en ciertos casos es posible obtener alcances del orden de300km mediante difusión troposférica, siempre y cuando se empleanpotencias muy altas.


Microondas (10,95 a 12,5GHz)Esta banda está comprendida dentro de la banda SHF y estádestinada a la difusión de programas de televisión por satélite. Eneste caso, las antenas que se emplean son muy directivas y seencuentran apuntando hacia los emisores que se hallan en lossatélites.Las señales que se utilizan en televisión utilizan la banda de VHF y

88

UHF y se transmiten de forma rectilínea y por visión directa, ya quelas ondas de superficie sufren una atenuación considerable. Paraque se pueda realizar la transmisión, debe existir visión directa entreal antena de emisión y la antena de recepción.

Indice





89

p g

• Propagación



Efectos dependientes de la frecuencia

Estos efectos están presentes en mayor o menor grado dependiendode la frecuencia de la onda. Las fórmulas para medir estos efectosson complejas por naturaleza (por ejemplo cuando se busca unaabsorción por resonancia). Sin embargo algunas reglas básicasresultan muy útiles para entender y planear la propagación deseñales de radio:

Con frecuencias más bajas el alcance es mejor

90

Con frecuencias más bajas, el alcance es mejor.Con frecuencias más altas, se trasmite una mayor cantidad de datos,

pero menor alcance.

Con frecuencias más bajas, la señal es más penetrante yrodea más obstáculos (las ondas son guiadas por la superficieterrestre y reflejadas por las capas ionosféricas)

A frecuencias altas las ondas de radio se comportan como la luz, porlo que se requiere línea visual entre el transmisor y el receptor.

05/10/2010

15

Efectos dependientes de la frecuencia

91

Indice





92

p g

• Propagación



Propagación radial en espacio libreEn la sección siguiente damos una mirada más cercana a cuatroefectos y conceptos relevantes en la propagación de señales deradio:

1. Pérdida en espacio libre (FSL, por sus siglas en inglés): elhecho de que una onda de radio pierde potencia incluso en una línearecta en el vacío, simplemente porque se esparce sobre una mayorregión en el espacio a medida que se aleja del transmisor.

93

g p q j

2. Zonas de Fresnel: el hecho de que las ondas de radio viajan enuna amplia zona en forma de cigarro, más que en una simple línearecta.

3. Línea de vista: como se define para ondas de radio, algodiferente que para la luz.4. Efecto de trayectoria múltiple; el hecho de que una señal puedeencontrar varias vías para llegar a un receptor.

Pérdida de espacio libre (FSL)Cuando una onda se propaga en el espacio, se esparce sobre una

superficie cada vez mayor a medida que se aleja del transmisor.

La potencia que se puede capturar de la onda disminuye con elcuadrado de la distancia al transmisor por este efecto puramentegeométrico.

A esto se le denomina "Pérdida en el Espacio Libre", FSL eninglés

94

inglés

Pérdida de espacio libre (FSL)La potencia de una señal de radio se atenúa en el vacío o en el aire.La pérdida de espacio libre mide la dispersión de la potencia en unespacio libre sin obstáculo alguno a medida que la onda se esparcesobre una superficie mayor. La señal de radio se debilita mientras seexpande en una superficie esférica.

95

Pérdida de espacio libre (FSL)La pérdida de potencia de las ondas electromagnéticas en el espacio librees proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional alcuadrado de la frecuencia.

La atenuación en el espacio libre medida decibeles (dB), viene dada por:

KfddBFSL ++= )(log20)(log20)( 1010

96

d = distancia

f = frecuencia

K =constante que depende de las unidades usadas para d y f

Si d se mide en metros, f en Hz, la fórmula queda:

5,147)(log20)(log20)( 1010 −+= fddBFSL

05/10/2010

16

Pérdida de espacio libre (FSL)Si expresamos la distancia en kilómetros y la frecuencia en GHz lafórmula es:

4,92)(log20)(log20)( 1010 ++= fddBFSL

Regla práctica para una red inalámbrica de 2,4 GHz.

Se pierden:

Regla práctica para una red inalámbrica de 2,4 GHz.

Se pierden:

97

Se pierden:

100 dB en el primer kilómetro

se reduce en 6 dB cada vez que se duplica esa distancia.

Se pierden:

100 dB en el primer kilómetro

se reduce en 6 dB cada vez que se duplica esa distancia.

Un enlace de 2 km tiene una pérdida de 106 dB, mientras que en 4km es de de 112 dB.

Zonas de FresnelDebemos entender como la primera zona de Fresnel, aquella quedebe mantenerse libre de obstáculos para poder transmitir lamáxima potencia desde A a B.

98

D=distancia [m]

F= frecuencia [GHz]

R=radio [m]

Zonas de FresnelSi existen obstáculos dentro de la zona de Fresnel, éstosintroducirán pérdidas de obstrucción. La primera zona de Fresnel esun volumen alrededor de la línea recta que une el transmisor con elreceptor, por lo que hay que tener en cuenta los obstáculos pordebajo pero también a los lados.

99

r1= radio de la primera zona de Fresnel [m]

d= d1+d2 [m]

λ=longitud de onda [m]

Zonas de FresnelLa fórmula para el radio máximo de la primera zona de Fresnel es:

Un enlace de radio de 9.6 km requerirá una zona libre de obstáculos en un radio de r=17 32 metros bajo la línea de vista

d = distancia [km]

f = frecuencia [Ghz]

r = radio [m]

100

en un radio de r=17,32 metros bajo la línea de vista.

En la práctica nos conformamos con librar sólo el 60% de la primerazona de Fresnel, por lo que en el caso anterior es suficiente despejaruna zona de 10,4 m en el punto medio de la trayectoria, y menosaún en los extremos. En realidad es necesario comprobar el despejedel 60% de la primera zona de Fresnel a lo largo de toda latrayectoria de propagación.

Línea de vistaPara la luz visible, la línea de vista es un concepto fácil de entendery comprobar. Sin embargo, las cosas son un poco más complejaspara los enlaces de radio debido a que no son visibles a nuestrosojos. En general, se necesita tener una línea visual (óptica) para unradio enlace. Adicionalmente, es necesario un “poco de espacioalrededor”, definido por las Zonas de Fresnel.

101

Línea de vista (radio) vs. línea visual (óptica)

MultitrayectoriaUna onda de radio puede llegar al receptor a través de múltiplestrayectorias por reflexión. Los retrasos, la interferencia y lamodificación parcial de las señales pueden causar problemas en larecepción.

Sin embargo, los efectos de trayectoria múltiple no son todos malosy a veces es posible aprovecharlos para superar los limites de lalínea de vista cuando se dispone de suficiente potencia.

102

p p

Un enlace sin línea de vista puede ser posible con tecnologíasinalámbricas suficientemente robustas frente a los efectos detrayectoria múltiple, que permitan contribuir a la transmisión deseñales.

T1-0Concepto de radio frecuencia [Modo de...

Documents

Transcript of T1-0Concepto de radio frecuencia [Modo de...