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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.
PARA ONDAS EM
PARA CIRCUITOS
LEY DE OHM PARA ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS.
LEY DE OHM
LEY DE OHM
Z= Impedancia del medio en Ω
E= Intensidad del campo eléctrico
en volts por metro
H= Intensidad del campo magnético 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 = 𝑃𝑇 𝐺𝑇
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