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Propagación

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Propagación

Efecto de la ionósfera
- La ionosfera es la región de las capas altas de la atmósfera
- El 12 de diciembre de 1901, Marconi consiguió realizar de forma satisfactoria la primera comunicación radiotelegráfica transatlántica cubriendo una distancia de 3.000 km entre Gales y Terranova,
- Unos años antes, Hertz había comprobado experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas, cuya naturaleza era similar a la de la luz
- En el mismo año 1902, Kennelly y Heaviside, de forma independiente, postularon la existencia de una capa ionizada en la parte alta de la atmósfera como la responsable de la reflexión de las ondas electromagnéticas
- El primer experimento para realizar mediciones directas de la ionosfera lo llevaron a cabo Appleton y Barnett en Londres, en 1925.
- La causa primordial de ionización de la ionosfera es la radiación solar en la región del espectro de los rayos X y ultravioletas
  - La capa inferior D se extiende entre los 50 y 90 km de altura.
    - En zonas templadas la capa Es es bastante frecuente en verano, y alcanza densidades iónicas varias veces superior a la capa E circundante.
      - La capa F se extiende hacia arriba a partir de los 130 km de altitud.
        Debido al distinto comportamiento de la parte inferior y superior de la capa, ésta se subdivide en capa F1 entre los 130 y 210 km y F2 a partir de los 210 km.
        La capa F1 desaparece durante la noche
        La capa F2 mantiene niveles de ionización relativamente constantes entre el día y la noche.
  - Su densidad de ionización aumenta rápidamente con la altura y presenta grandes variaciones entre el día y la noche
Introducción
- En el año 1902 otros experimentos realizados por Marconi pusieron de relieve que las comunicaciones a grandes distancias sufrían fuertes variaciones según se realizasen durante el día o la noche.
  - Así, experimentos de recepción a bordo de un barco desde una estación en tierra mostraron que a distancias superiores a 1.000 km las comunicaciones fallaban totalmente durante el día, mientras que durante la noche era posible la recepción a distancias superiores a los 3.000 km.
- Marconi estaba más interesado en las posibilidades de explotación comercial de las comunicaciones radiotelegráficas a grandes distancias que en la explicación de los fenómenos responsables de estas comunicaciones
- Marconi concentró su actividad en la aplicación práctica de estos hechos más que en la justificación teórica de los mismos.
- La propagación por reflexión ionosférica es importante en las bandas de MF y HF
Propagación en un medio ionizado
- La propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la propagación en plasmas.
  - Un plasma es una región de espacio, con la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío, que contiene electrones libres.
    - Un modelo simplificado es el de plasma frío, en el que se desprecia el movimiento de los electrones por causas térmicas.
- Considérense en primer lugar las fuerzas a las que se encuentra sometido un electrón inmerso en el campo electromagnético de una onda plana.
  - Éste experimentará una fuerza debida al campo eléctrico y otra al campo magnético dadas por
    - La propagación por reflexión ionosférica es importante en las bandas de MF y HF.
      - La frecuencia de colisión iónica es máxima a unos 75 km de altura (capa D), con un valor aproximado de u = 2·106 s-1.
        La densidad de ionización máxima en esta capa para alturas entre los 80 y 90 km es de 109 electrones/m3, valor que se alcanza durante el mediodía.
        Para esta densidad de ionización la frecuencia de resonancia es de 300 kHz.
        En el resto de las capas la frecuencia de colisión es mucho menor, debido a que la atmósfera es más tenue, por lo que la atenuación es prácticamente despreciable.
- Influencia del campo magnético terrestre
  - Es el efecto del campo magnético terrestre.
    - Un plasma sometido a un campo magnético constante posee características anisótropas, de forma que la constante dieléctrica no es un escalar sino un tensor.
      - El efecto más notable es que la constante de propagación es función de la polarización de la onda.
        En concreto la constante de propagación es distinta para una onda polarizada circularmente a derechas o a izquierdas.
        Esto produce una rotación en el plano de polarización de una onda linealmente polarizada.
        Considérese la siguiente onda linealmente polarizada según el eje x, que se propaga en la dirección del eje z, y que se descompone como la suma de dos ondas polarizadas circularmente
        Tras propagarse por un medio anisótropo de espesor l con constantes de propagación k1 y k2 para cada una de las polarizaciones circulares
        El ángulo de rotacion de la polarización depende de la diferencia entre las dos constantes de propagación.
        Esta diferencia es función de la dirección de propagación de la onda respecto al campo magnético terrestre, de la intensidad del campo magnético y de la frecuencia de resonancia de la ionosfera, e inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia.
        Para frecuencias superiores a 10 GHz la rotación de Faraday es totalmente despreciable (inferior a 1º) sin embargo, en las bandas de VHF y UHF puede tener valores considerables que son impredecibles.
        A frecuencias superiores a 10 GHz, puede emplearse polarización lineal sin que exista una rotación apreciable en la polarización,
  - Comunicaciones ionósféricas
    - La existencia de la ionosfera permite, tal como comprobó Marconi, las comunicaciones a grandes distancias.
      - El efecto de la ionosfera es distinto para las diferentes bandas de frecuencias.
        A frecuencias bajas y muy bajas (bandas de LF y VLF) la ionosfera supone un cambio brusco en términos de l del índice de refracción atmosférico.
        Esta variación abrupta produce una reflexión de la onda incidente en la parte baja de la ionosfera.
        Modelización de la propagación en entornos complejos
    - El proceso físico involucrado en este modo de propagación es una refracción, es habitual referirse a él como reflexión ionosférica, considerando que se produce una reflexión a una altura virtual h.
      - La distancia máxima alcanzable está limitada por la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, la altura virtual de reflexión y la curvatura terrestre.
        Considerando el efecto de refracción de la atmósfera terrestre esta distancia está limitada en torno a los 4.000 km.
        La propagación por reflexión ionosférica es importante en las bandas de MF y HF.
        La densidad de ionización que se traduce en una mayor frecuencia de resonancia en verano que en invierno.
    - Modelización de la propagación en entornos complejos
      - En la mayoría de las ocasiones no existe visibilidad directa entre los dos extremos del enlace: la estación base y el terminal móvil. La intensidad de campo eléctrico y por tanto la densidad de potencia incidente en la antena receptora es el resultado de la contribución de ondas reflejadas y difractadas en los edificios y obstáculos del entorno.
        La potencia de señal recibida pueden ser del orden de 30 a 40 dB con pequeños desplazamientos.
      - Introducción
        Los modelos de propagación de las secciones anteriores son útiles para evaluar las pérdidas de propagación asociadas a los distintos efectos
        En entornos de propagación complejos en los que existe una superposición de varios efectos, el cálculo de las pérdidas de propagación debe abordarse de forma diferente.
      - Modelos empíricos para el valor medio de las pérdidas de propagación.
        El modelo Okumura-Hata
        Cuanto más alta se encuentra la antena de la estación base menor es el exponente que afecta a la distancia.
        Los modelos empíricos se basan en el ajuste de leyes de decaimiento de la potencia recibida en función de la distancia, altura de antenas, frecuencia y tipología del entorno a datos medidos.
        Generalmente los modelos empíricos distinguen entre zonas urbanas muy densas, zonas urbanas de baja densidad y zonas rurales.
        Uno de los más empleados es el denominado Okumura-Hata, que se desarrolló a partir de medidas realizadas en Tokio.
        El modelo Okumura-Hata predice una disminución del valor medio de la potencia recibida en función de la distancia de la forma
        Caracterización estadística de las pérdidas de propagación
        Los modelos empíricos sólo proporcionan el valor medio o esperado de las pérdidas de propagación para un entorno genérico en función de la distancia entre la estación base y el terminal.
        Es evidente que aún manteniendo la distancia a la estación base constante se observarán fluctuaciones en los niveles de señal en distintas ubicaciones del terminal móvil.
        Éstas se deben a las diferentes alturas de los edificios, orientación y características de las calles, etc.
        Al describir una circunferencia en torno a una estación base se medirán variaciones en las pérdidas de propagación.
        Variaciones relativamente lentas en función de la distancia recorrida y que físicamente cabe asociarlas a la variación en el entorno.
        Dado que estas variaciones dependen de múltiples factores independientes, la resultante es una variación aleatoria de distribución gaussiana.
        De forma que las pérdidas de propagación se caracterizan de la siguiente manera
        L = L50 + Ls
        Para un entorno urbano denso podemos estimar la variación estandar de las fluctuaciones de las pérdidas debidas a la variabilidad del entorno como
        Desvanecimientos rápidos multicamino y diversidad
        En una situación real de comunicaciones móviles el campo incidente en la antena receptora es el resultado de la superposición de múltiples contribuciones: campos reflejados en edificios, campos difractados en las aristas o bordes de los edificios, componentes reflejadadas en el suelo, y componentes provenientes de múltiples reflexiones.
        Una componente que contribuía constructivamente se convierte en destructiva.
        A este efecto se le denomina desvanecimiento por multicamino, y se caracteriza estocásticamente.
        Una posibiliad es seleccionar en cada momento la salida de la rama que presente una mejor relación señal a ruido.
        La diversidad en espacio en recepción es sólo una de las posibles formas de emplear la diversidad para combatir el desvanecimiento multicamino
        También se pueden realizar sistemas basados en la combinación dinámica de la señal recibida por cada rama de forma que se maximice en cada momento la relación señal a rudio, de forma que el receptor se adapte a las características cambiantes del entorno de propagación.
        A este concepto se le denomina genéricamente como antenas inteligentes
La capa D presenta una atenuación elevada proporcional a la densidad de ionización
- En la noche cuando la capa D desaparece es posible la refracción en las capas superiores y establecer enlaces ionosféricos.
  - Los enlaces en HF no sufren estos problemas ya que la atenuación en la capa D es proporcional a 1/f2, y por tanto despreciable en esta banda.
    - Las condiciones de propagación en los actuales servicios de comunicaciones móviles son el resultado de la superposición de múltiples reflexiones y difracción en edificios y obstáculos