Propagación de radio

Radiopropagación es el comportamiento de las ondas de radio cuando viajan, o se propagan, de un punto a otro en el vacío, o en varias partes de la atmósfera. Como forma de radiación electromagnética, al igual que las ondas de luz, las ondas de radio se ven afectadas por los fenómenos de reflexión, refracción, difracción, absorción, polarización y dispersión. Comprender los efectos de las condiciones variables en la propagación de radio tiene muchas aplicaciones prácticas, desde la elección de frecuencias para las comunicaciones de radioaficionados, las emisoras internacionales de onda corta, hasta el diseño de sistemas de telefonía móvil confiables, la navegación por radio y la operación de sistemas de radar.

En los sistemas prácticos de transmisión por radio se utilizan varios tipos diferentes de propagación. Propagación con visibilidad directa significa ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora hasta la antena receptora. La transmisión de línea de vista se utiliza para la transmisión de radio de media distancia, como teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, walkie-talkies, redes inalámbricas, radio FM, transmisión de televisión, radar y comunicación satelital (como la televisión satelital). La transmisión con visibilidad directa en la superficie de la Tierra está limitada a la distancia al horizonte visual, que depende de la altura de las antenas transmisora y receptora. Es el único método de propagación posible en frecuencias de microondas y superiores.

A frecuencias más bajas en las bandas MF, LF y VLF, la difracción permite que las ondas de radio se doblen sobre colinas y otros obstáculos, y viajen más allá del horizonte, siguiendo el contorno de la Tierra. Estas se denominan ondas superficiales o propagación de ondas terrestres. Las estaciones de radiodifusión AM y de radioaficionados utilizan ondas terrestres para cubrir sus áreas de escucha. A medida que la frecuencia disminuye, la atenuación con la distancia disminuye, por lo que las ondas terrestres de muy baja frecuencia (VLF) a extremadamente baja frecuencia (ELF) se pueden usar para comunicarse en todo el mundo. Las ondas VLF a ELF pueden penetrar distancias significativas a través del agua y la tierra, y estas frecuencias se utilizan para la comunicación entre minas y militares con submarinos sumergidos.

En las frecuencias de onda media y onda corta (bandas MF y HF), las ondas de radio pueden refractarse desde la ionosfera. Esto significa que las ondas de radio medianas y cortas transmitidas en ángulo hacia el cielo pueden refractarse hacia la Tierra a grandes distancias más allá del horizonte, incluso distancias transcontinentales. Esto se llama propagación de ondas celestes. Es utilizado por operadores de radioaficionados para comunicarse con operadores en países distantes y por estaciones de transmisión de onda corta para transmitir internacionalmente.

Además, existen varios mecanismos de propagación de radio menos comunes, como dispersión troposférica (troposcatter), conducción troposférica (conducción) en frecuencias VHF y cerca onda ionosférica de incidencia vertical (NVIS) que se utilizan cuando se desean comunicaciones HF dentro de unos pocos cientos de millas.

Dependencia de la frecuencia

A diferentes frecuencias, las ondas de radio viajan a través de la atmósfera por diferentes mecanismos o modos:

Propagación en espacio libre

En el espacio libre, todas las ondas electromagnéticas (radio, luz, rayos X, etc.) obedecen a la ley inversa-cuarela que declara que la densidad de potencia *** *** {displaystyle rho ,} de una onda electromagnética es proporcional al inverso de la plaza de la distancia r{displaystyle r,} de una fuente de punto o:

*** *** ∝ ∝ 1r2.{displaystyle rho propto {fnMicroc {1}{2}}~}

A distancias típicas de comunicación desde un transmisor, la antena transmisora generalmente se puede aproximar a una fuente puntual. Duplicar la distancia de un receptor a un transmisor significa que la densidad de potencia de la onda radiada en esa nueva ubicación se reduce a una cuarta parte de su valor anterior.

La densidad de potencia por unidad de superficie es proporcional al producto de las fuerzas del campo eléctrico y magnético. Por lo tanto, duplicar la distancia del trayecto de propagación desde el transmisor reduce a la mitad cada una de estas intensidades de campo recibidas en un trayecto en el espacio libre.

Las ondas de radio en el vacío viajan a la velocidad de la luz. La atmósfera de la Tierra es lo suficientemente delgada como para que las ondas de radio en la atmósfera viajen muy cerca de la velocidad de la luz, pero las variaciones en la densidad y la temperatura pueden causar una ligera refracción (curvatura) de las ondas a distancia.

Modos directos (línea de visión)

La línea de visión se refiere a las ondas de radio que viajan directamente en una línea desde la antena transmisora hasta la antena receptora. No requiere necesariamente una ruta de visión despejada; a frecuencias más bajas, las ondas de radio pueden atravesar edificios, follaje y otras obstrucciones. Este es el modo de propagación más común en VHF y superiores, y el único modo posible en frecuencias de microondas y superiores. En la superficie de la Tierra, la propagación de la línea de visión está limitada por el horizonte visual a unas 40 millas (64 km). Este es el método utilizado por teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, walkie-talkies, redes inalámbricas, enlaces de retransmisión de radio de microondas punto a punto, radiodifusión de FM y televisión y radar. La comunicación por satélite utiliza rutas de visibilidad directa más largas; por ejemplo, las antenas parabólicas domésticas reciben señales de satélites de comunicación a 35 000 km (22 000 millas) sobre la Tierra, y las estaciones terrestres pueden comunicarse con naves espaciales a miles de millones de millas de la Tierra.

Los efectos de reflexión del plano de tierra son un factor importante en la propagación de línea de visión VHF. La interferencia entre la línea de visión del haz directo y el haz reflejado en el suelo a menudo conduce a una cuarta potencia inversa efectiva (1⁄distance⁴) para la radiación limitada del plano de tierra.

Modos de superficie (onda de superficie)

Las ondas de radio polarizadas verticalmente de baja frecuencia (entre 30 y 3000 kHz) pueden viajar como ondas superficiales siguiendo el contorno de la Tierra; esto se llama propagación de onda terrestre.

En este modo, la onda de radio se propaga interactuando con la superficie conductora de la Tierra. La ola "se aferra" a la superficie y, por lo tanto, sigue la curvatura de la Tierra, por lo que las ondas de superficie pueden viajar por encima de las montañas y más allá del horizonte. Las ondas de superficie se propagan en polarización vertical, por lo que se requieren antenas verticales (monopolos). Dado que la tierra no es un conductor eléctrico perfecto, las ondas de tierra se atenúan a medida que siguen la superficie de la Tierra. La atenuación es proporcional a la frecuencia, por lo que las ondas de superficie son el principal modo de propagación a frecuencias más bajas, en las bandas MF, LF y VLF. Las ondas de superficie son utilizadas por estaciones de radiodifusión en las bandas MF y LF, y para señales horarias y sistemas de radionavegación.

A frecuencias aún más bajas, en las bandas VLF a ELF, un mecanismo de guía de ondas de la Tierra-ionosfera permite una transmisión de mayor alcance. Estas frecuencias se utilizan para comunicaciones militares seguras. También pueden penetrar a una profundidad significativa en el agua de mar, por lo que se utilizan para comunicaciones militares unidireccionales con submarinos sumergidos.

Las primeras comunicaciones por radio de larga distancia (telegrafía inalámbrica) antes de mediados de la década de 1920 usaban frecuencias bajas en las bandas de onda larga y dependían exclusivamente de la propagación de onda terrestre. Las frecuencias superiores a 3 MHz se consideraron inútiles y se entregaron a los aficionados (radioaficionados). El descubrimiento alrededor de 1920 del mecanismo de reflexión ionosférica o onda ionosférica hizo que las frecuencias de onda media y onda corta fueran útiles para la comunicación a larga distancia y se asignaron a usuarios comerciales y militares.

Modos sin línea de visión

Medición de la propagación de HF

Las condiciones de propagación de HF se pueden simular mediante modelos de propagación de radio, como el Programa de análisis de cobertura Voice of America, y las mediciones en tiempo real se pueden realizar mediante transmisores chirp. Para los radioaficionados, el modo WSPR proporciona mapas con condiciones de propagación en tiempo real entre una red de transmisores y receptores. Incluso sin balizas especiales, se pueden medir las condiciones de propagación en tiempo real: una red mundial de receptores decodifica señales de código morse en frecuencias de radioaficionados en tiempo real y proporciona funciones de búsqueda sofisticadas y mapas de propagación para cada estación recibida.

Efectos prácticos

La persona promedio puede notar los efectos de los cambios en la propagación de radio de varias maneras.

En la transmisión AM, los cambios ionosféricos dramáticos que ocurren durante la noche en la banda de onda media impulsan un esquema de licencia de transmisión único en los Estados Unidos, con niveles de salida de potencia del transmisor completamente diferentes y patrones de antena direccional para hacer frente a la propagación de la onda ionosférica durante la noche. Muy pocas estaciones pueden funcionar sin modificaciones durante las horas de oscuridad, generalmente solo aquellas en canales despejados en América del Norte. Muchas estaciones no tienen autorización para operar fuera del horario diurno.

Para la transmisión de FM (y las pocas estaciones de TV de banda baja restantes), el clima es la causa principal de los cambios en la propagación de VHF, junto con algunos cambios diurnos cuando el cielo está casi sin nubes. Estos cambios son más evidentes durante las inversiones de temperatura, como en las horas nocturnas y tempranas de la mañana cuando está despejado, lo que permite que el suelo y el aire cercano se enfríen más rápidamente. Esto no solo provoca rocío, escarcha o niebla, sino que también provoca un ligero "arrastre" en la parte inferior de las ondas de radio, desviando las señales hacia abajo de modo que puedan seguir la curvatura de la Tierra sobre el horizonte de radio normal. El resultado suele ser que se escuchan varias estaciones de otro mercado de medios, generalmente uno vecino, pero a veces a unos cientos de kilómetros (millas) de distancia. Las tormentas de hielo también son el resultado de inversiones, pero normalmente causan una propagación omnidireccional más dispersa, lo que resulta principalmente en interferencia, a menudo entre estaciones de radio meteorológicas. A fines de la primavera y principios del verano, una combinación de otros factores atmosféricos puede causar ocasionalmente saltos que canalizan señales de alta potencia a lugares a más de 1000 km (600 millas) de distancia.

Las señales que no son de transmisión también se ven afectadas. Las señales de los teléfonos móviles se encuentran en la banda UHF, que va de 700 a más de 2600 MHz, un rango que los hace aún más propensos a los cambios de propagación inducidos por el clima. En áreas urbanas (y hasta cierto punto suburbanas) con una alta densidad de población, esto se compensa en parte con el uso de celdas más pequeñas, que usan menor potencia radiada efectiva e inclinación del haz para reducir la interferencia y, por lo tanto, aumentan la reutilización de frecuencias y la capacidad del usuario. Sin embargo, dado que esto no sería muy rentable en áreas más rurales, estas celdas son más grandes y, por lo tanto, es más probable que causen interferencia en distancias más largas cuando las condiciones de propagación lo permitan.

Si bien esto generalmente es transparente para el usuario gracias a la forma en que las redes celulares manejan las transferencias de celda a celda, cuando se trata de señales transfronterizas, pueden ocurrir cargos inesperados por roaming internacional a pesar de no haber salido del país. Esto suele ocurrir entre el sur de San Diego y el norte de Tijuana en el extremo occidental de la frontera entre EE. UU. y México, y entre el este de Detroit y el oeste de Windsor a lo largo de la frontera entre EE. UU. y Canadá. Dado que las señales pueden viajar sin obstrucciones sobre un cuerpo de agua mucho más grande que el río Detroit, y las temperaturas frías del agua también provocan inversiones en el aire de la superficie, este "roaming marginal" a veces ocurre a través de los Grandes Lagos y entre islas en el Caribe. Las señales pueden saltar desde la República Dominicana a la ladera de una montaña en Puerto Rico y viceversa, o entre los EE. UU. y las Islas Vírgenes Británicas, entre otros. Si bien el roaming transfronterizo no deseado a menudo es eliminado automáticamente por los sistemas de facturación de las compañías de telefonía móvil, el roaming entre islas generalmente no lo es.

Modelos empíricos

Un modelo de propagación de radio, también conocido como modelo de propagación de ondas de radio o modelo de propagación de radiofrecuencia, es una formulación matemática empírica para la caracterización de la propagación de ondas de radio en función de la frecuencia, la distancia y otras condiciones. Por lo general, se desarrolla un solo modelo para predecir el comportamiento de propagación para todos los enlaces similares bajo restricciones similares. Creados con el objetivo de formalizar la forma en que las ondas de radio se propagan de un lugar a otro, estos modelos suelen predecir la pérdida de trayectoria a lo largo de un enlace o el área de cobertura efectiva de un transmisor.

Como la pérdida de trayecto encontrada a lo largo de cualquier enlace de radio sirve como el factor dominante para la caracterización de la propagación del enlace, los modelos de propagación de radio normalmente se enfocan en la realización de la pérdida de trayecto con la tarea auxiliar de predecir el área de cobertura para un transmisor o modelado de la distribución de señales en diferentes regiones

Debido a que cada enlace de telecomunicaciones individual tiene que encontrar diferentes terrenos, caminos, obstrucciones, condiciones atmosféricas y otros fenómenos, es difícil formular la pérdida exacta para todos los sistemas de telecomunicaciones en una sola ecuación matemática. Como resultado, existen diferentes modelos para diferentes tipos de enlaces de radio bajo diferentes condiciones. Los modelos se basan en el cálculo de la pérdida de trayecto mediana para un enlace con una cierta probabilidad de que se produzcan las condiciones consideradas.

Los modelos de propagación de radio son de naturaleza empírica, lo que significa que se desarrollan en base a grandes colecciones de datos recopilados para el escenario específico. Para cualquier modelo, la recopilación de datos debe ser lo suficientemente grande como para proporcionar suficiente probabilidad (o suficiente alcance) para todo tipo de situaciones que pueden ocurrir en ese escenario específico. Como todos los modelos empíricos, los modelos de propagación de radio no señalan el comportamiento exacto de un enlace, sino que predicen el comportamiento más probable que el enlace puede exhibir bajo las condiciones especificadas.

Se han desarrollado diferentes modelos para satisfacer las necesidades de realizar el comportamiento de propagación en diferentes condiciones. Los tipos de modelos para la propagación de radio incluyen:

Modelos para atenuación del espacio libre

• Pérdida del camino libre del espacio
• Dipole fuerza de campo en espacio libre
• Ecuación de transmisión Friis

Modelos para atenuación al aire libre

• Modelos de terreno
  • Modelo de terreno de la UIT
  • Modelo Egli
  • Longley-Rice Irregular Terrain Model (ITM)
  • Modelo de reflexión terrestre de dos rayos
• Modelos urbanos
  • Modelo Okumura
  • Modelo Hata
  • COST Modelo Hata

Modelos para atenuación interior

• Modelo de la UIT para atenuación interior
• Modelo de pérdida del camino de distancia