martes, 6 de noviembre de 2012

Propagación de ondas electromagnéticas


la propagación de ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia, o simplemente radio propagación. aunque el espacio libre implica al vacío. con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, y se puede considerar casi siempre así. la diferencia principal es que la atmósfera de la tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentra en el vació. las TEM (ondas electromagnéticas trasversales), se propagan a través de cualquier material dieléctrico, incluyendo el aire. Sin embargo, no se propagan bien a través de conductores con perdidas, como por ejemplo agua de mar, porque los cambios eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material que disipan con rapidez la energía de las ondas.


Polarización Electromagnética

La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.[1]

 a continuación los tipos de polarización:
  • Polarización vertical: cuando el campo eléctrico se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre.
  • Polarización circular: cuando el vector de polarización gira 360° a medida que la onda recorre una longitud de onda por el espacio, y la intensidad del campo es igual en todos los ángulos de polarización.
  • polarización elíptica: cuando la intensidad del campo varia con cambios en polarización.

Rayos y Frentes de Onda


Para describir el movimiento de ondas que se propagan en dos o tres dimensiones son útiles los conceptos de frente de onda y de rayo.Se define el frente de onda como el conjunto de puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante; o dicho con mayor precisión, el lugar geométrico de todos los puntos del medio con igual fase de vibración.
Para representar las ondas, se dibujan los frentes separados una longitud de onda.
Atendiendo a la forma del frente de onda, las ondas se denominan esféricas, cilíndricas,
planas, etc. Las ondas planas pueden considerarse mono dimensionales, ya que la propagación es según una dirección particular.

Imagen Numero 2

Las líneas perpendiculares a los
sucesivos frentes de onda se denominan
rayos y corresponden a líneas de
propagación de la onda. Los puntos de
diferentes superficies de onda unidos por
un rayo dado, se llaman puntos
correspondientes.
Es evidente que el tiempo requerido para que la onda avance entre dos frentes de onda es el mismo cualquiera que sea el rayo según el cual se mida. Por tanto, las distancias entre puntos correspondientes deben depender de la velocidad del movimiento ondulatorio en cada punto, y en un medio homogéneo e isótropo, donde la velocidad es la misma en todo los puntos y en todas las direcciones, la separación entre dos superficies de onda debe ser la misma en todos los puntos correspondientes.[2]


Radiación Electromagnética


Son una forma de propagación de energía a través del espacio sin necesidad de un medio material. Abarcan un espectro muy amplio de tipo de onda, desde las microondas hasta los rayos X y Landa, pasando por la luz visible.

Las ondas electromagnéticas consisten en la propagación de una doble vibración: de un campo eléctrico (E) y de un campo magnético (H). Estas 2 vibraciones están en fase,tienen direcciones perpendiculares, y se propagan en el vacío a una velocidad de 300.000 km/s según una dirección perpendicular a los planos de vibración.

Donde C = Velocidad de la luz.
             λ = Longitud de onda.
          T = Periodo.
          v = Frecuencia.



Propiedades de las radiaciones electromagnéticas
•  No tienen masa.

• No tienen carga eléctrica. 

• Viajan a la velocidad de la luz.

• Tienen energías diferentes y mensurables (frecuencias y longitud de onda).



Impedancia característica del espacio libre

Las intensidades del campo eléctrico y magnético de una onda electromagnética en el espacio libre se relacionan atreves de la impedancia característica del espacio vacío.
su formula es:

Donde: Zs = impedancia característica del espacio libre
          µ0 = permeabilidad magnética del espacio libre 1.26µ H/m         
          E0 = permitividad eléctrica del espacio libre 8.85p F/m

            

Frente de Onda Esférico y la Ley de el Cuadrado Inverso.


Una fuente puntual que irradia potencia constante y uniformemente en todas las direcciones se le llama radiador isotropico. No existe en realidad un radiador isotropico pero si hay algunos que se le asemejen a una antena omnidireccional un radiador isotropico produce un frente de onda esférico cuyo radio es R.
su formula es:

Donde: Prad = Potencia irradiada (Watts).
            R = Radio de la esfera.
            4πR = Área de la esfera.


Ley del cuadrado inverso

consiste en que cuando el área de la esfera aumenta en proporción directa a la distancia de la fuente elevada al cuadrado y la densidad de potencia es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuenteEsto proviene de consideraciones estrictamente geométricas. La intensidad de la influencia en cualquier radio dado r, es la intensidad de la fuente en el origen, dividida por el área de la esfera. Siendo estrictamente geométrica en su origen, la ley del inverso del cuadrado, aplica a diversos fenómenos. Fuentes puntuales de fuerza de gravitación, campo eléctrico, luz, sonido o radiación, obedecen la ley del inverso del cuadrado.


Atenuación y absorción de Ondas

Cuando las ondas se propagan por el espacio vació se dispersan y resulta una reducción de la densidad de potencia , a esto se le llama atenuación.


Atenuación


Las ondas se alejan cada ves mas entre si en consecuencia la cantidad de ondas por unidad de área es menor y no se disipa ni se pierde la potencia irradiada.

Vídeo Demostrativo:



Absorción





La atmósfera terrestre no es un vació. esta formada por átomos y moléculas de diversas sustancias. Algunos de estos materiales pueden absorber ondas electromagnéticas  la absorción de onda por la atmósfera es analógica a una perdida de potencia de I^2*R.
Algo que puede hacer la absorción de ondas se vea afectada son los fenómenos anormales así como fuertes lluvias y neblina densa, ya que absorben mas energía que el de lo normal.




Propiedades Opticas de las Ondas de Radio




Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética. Una onda de radio tiene una longitud de onda mayor que la luz visible. Las ondas de radio se usan extensamente en las comunicaciones. Como las ondas luminosas también son ondas electromagnéticas de alta frecuencia, parece razonable que las propiedades ópticas también se apliquen a la propagación de ondas de radio.


Reflexión y Refracción



Cuando la onda llega a la superficie de separación de dos medios distintos (distintas 

velocidades de propagación) , se producen dos fenómenos muy importantes, ya que 

parte de la energía que lleva la onda pasa al segundo medio y parte de la energía permanece en el mismo medio. Estos fenómenos vienen acompañados de unos cambios

en la dirección de propagación conocidos como reflexión (la onda no cambia de medio) 

y refracción (la onda cambia de medio)

Vídeo de Reflexión y refracción.




Difracción



Es el fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta. La expansión de la luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos. Sólo un microscopio óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite de la difracción y visualizar detalles ligeramente menores que la longitud de onda de la luz.



Superposición e Interferencia

Es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas como valles, crestas, etc. Y amplitudes de las ondas iniciales.


Dispercion

Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad.

Absorción

Es la captación de luz, calor u otro tipo de energía radiante por parte de las moléculas. La radiación absorbida se convierte en calor; la radiación que no se absorbe es reflejada, y sus características cambian.



Propagación Terrestre de las Ondas Electromagnéticas

las ondas electromagnéticas de radio que viajan dentro de la atmósfera terrestre se llaman ondas terrestres y las comunicaciones entre dos o mas puntos de la tierra se llaman radiocomunicaciones terrestres. Las ondas terrestres se ven influidas  por la atmósfera y la tierra misma y las radiocomunicaciones terrestres las ondas se pueden propagar de varias formas que dependen de el sistema y el ambiente.




Propagación de ondas terrestres


Las ondas terrestres son todas las ondas electromagnéticas que viajan dentro de la atmósfera terrestre, así también, las comunicaciones entre dos o más puntos de la Tierra son llamadas radiocomunicaciones. Las ondas terrestres se ven influidas por la atmósfera y por la Tierra misma.
Las radiocomunicaciones terrestres se pueden propagar de distintas formas y estas formas dependen de la clase de sistema y del ambiente, las ondas terrestres tienden a viajar en línea recta, pero tanto la Tierra como la atmósfera pueden alterar su trayectoria. Existen tres formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera que corresponden a las ondas terrestres, ondas espaciales y ondas celestes o ionosferas.

La propagación de ondas terrestres se usa normalmente en comunicaciones entre barcos y de barco a tierra. las ondas terrestres tienen ondas bajas como de 15 KHz.

Desventajas:

1 Requieren una potencia de transmisión alta.
2 Se limitan las frecuencias muy bajas, bajas e intermedias y requieren grandes antenas.

Ventajas:

1 Las ondas se afectan poco por las condiciones atmosféricas.
2 Con la potencia necesaria se podrían comunicar desde cualquier parte del mundo.




Propagación de ondas Espaciales

Esta clase de propagación corresponde a la energía irradiada que viaja en los kilómetros inferiores de la atmósfera terrestre. La curva de la tierra presenta un horizonte en la propagacion de las ondas espaciales que se suelen llamar el horizonte de radio.




Términos y Definiciones de Propagación



Frecuencia critica  y Angulo critico.


Virtualmente, la ionosfera no afecta alas frecuencias mayores que las UHF, porque las ondas son extremadamente cortas. Las distancias entre iones son bastante mayores que las longitudes de onda de estas frecuencias, y en consecuencia, las ondas electromagnéticas pasan a través de ellas con pocos efectos notables. Por consiguiente es razonable que haya un limite superior de frecuencias que se propaguen como ondas celestes. La frecuencia critica (fc) se define como la máxima frecuencia que se puede propagar directo hacia arriba y es reflejada por la ionosfera hacia la tierra. Esta frecuencia depende de la densidad de ionificacion y, en consecuencia, varia con la hora del día y con la estación. Disminuye el angulo vertical de irradiación, las frecuencias iguales o mayores que la critica se pueden reflejar hacia la superficie terrestre porque recorre mayor distancia en la ionosfera y por esto tiene mayor tiempo de refractarse.






Altura virtual

La altura virtual es la altura sobre la superficie terrestre, desde la que aparece para reflejarse en la onda refractada.


En esta figura podemos ver como la onda irradia y regresa ala tierra, describiendo así la trayectoria B. la altura máxima real que alcanzo la onda es de ha. Sin embargo, la trayectoria A muestra la trayectoria proyectada que podría haber tomado la onda reflejada y ser regresada ala tierra hacia el mismo lugar.



Máxima Frecuencia Util


La MUF es la mayor frecuencia que se puede usar en propagación de ondas celestes entre dos puntos específicos de la superficie terrestre. Es razonable, entonces, que haya tantos valores posibles de MUF como puntos y frecuencias hay en la tierra: una cantidad infinita. La MUF, como la frecuencia critica, es una frecuencia límite para la propagación de ondas celestes.



Distancia De Salto


Esta es la distancia mínima desde la antena de transmisión ala que regresara ala tierra una onda celeste de determinada frecuencia (debe ser menos que la MUF).

En esta imagen se muestra varios rayos con distintos ángulos de elevación, irradiados desde el mismo punto sobre la tierra. Se aprecia que el punto en el que regresa la onda ala tierra se acerca al transmisor a medida que aumenta el angulo de elevación.





En esta imagen se muestra varios rayos con distintos ángulos de elevación, irradiados desde el mismo punto sobre la tierra. Se aprecia que el punto en el que regresa la onda ala tierra se acerca al transmisor a medida que aumenta el angulo de elevación.





En esta imagen se muestra el efecto de desaparicion de las capas D y E durante la noche, sobre la distancia de salto. En forma efectiva, el cielo que forma la ionosfera se eleva y permite a las ondas celestes viajar mas arriba antes de ser refeactadas hacia la tierra. Este efecto explica varias veces las estaciones lejanas de radio se oyen durante la noche, pero no durante las horas del dia. 



Perdidas en trayectoria por Espacio Libre 


Es la pérdida que ocurre cuando una onda electromagnética es transmitida en el vacío. En realidad es una pérdida sino dispersión de la señal al alejarse del transmisor. Se llama también 

Pérdidas por Dispersión 

Para el cálculo de la Pérdida de Espacio Libre se usa la fórmula: 

Ls = 32.44 + 20.log(F [Mhz]) + 20log(D [km]) en negativo 

Que es derivada de la fórmula de transmisión de Friis, considerando la Frecuencia en MHz y la distancia en Km. 


Margen de Desvanecimiento 


Muestra el nivel de recepción en función del tiempo durante un fenómeno de desvanecimiento. El nivel de entrada se encuentra por debajo del nivel umbral de radio para periodos de tiempo relativamente cortos. Este tiempo provoca degradación en el funcionamiento del sistema y posibilidad de corte. Los desvanecimientos están fundamentalmente causados por el efecto de multitrayecto y debido a las precipitaciones. Como muestra la figura 34, a mayor margen de desvanecimiento, menor probabilidad de que la señal decaiga por debajo del nivel umbral del receptor. Consecuentemente, el funcionamiento del sistema se mejora aumentando el margen de desvanecimiento. Esto se puede alcanzar mediante un nivel de salida más alto, por antenas mayores, menores niveles umbral, reducidas longitudes de vano, etc.





12 comentarios:

  1. Interesantes aportes y explícita la forma en que se definen los términos y definiciones de propagación

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  2. Muy bueno compañeros, excelente la introducción que colocaron!. Sigan así!!

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  3. Bien compañeros, excelentes explicaciones, muy buenos los videos que agregaste

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  4. compañeros muy buen blog, la informacion mostrada esta muy bien explicada...

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  5. Buenas, interesante la explicación de la absorción y atenuación de la onda electromagnética. muestran ejemplos adecuados y pues es bueno saber el complemento del tema que seria la reflexión y refracción de una onda electromagnética por una superficie de Área. Felicitaciones por el blog muy bueno.

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  6. MUY BUEN BLOG COMPAÑERO, LAS ANIMACIONES HACEN QUE DE MANERA DIDÁCTICA SE ENTIENDA DE LA MEJOR MANERA DE LA TEMÁTICA.

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  7. ingenieros muy buen manejo del tema, buenos ejemplos, conceptos adecuados y las animaciones muy acertadas con la temática. Me llamo mucho la atención que fueron concisos y manejaron la parte del margen de desviación y perdidas en trayectoria por espacio libre.

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  8. Equipo excelente blog, interesante el video donde explican el margen de desvanecimiento de las ondas en el espacio. Importante la forma en que determinaron la organización; mostrando los temas uno por uno. Espero que se continue el blog, para mostrar mas acerca de la temática planteada por el docente

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  9. Amigos muchas gracias me da mucho gusto ver que entendieron nuestro blog

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  10. muy buen aporte compañero siga trabajando en el blog que tiene mucho potencial, le recomiendo expandir el contenido e incluir tecnología actual

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