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Propagación de las ondas de Radio

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Propagación de las ondas de radio


Generalidades

La razón principal por la que empleamos ondas de radio: comunicarnos, escuchar música, ver televisión o transportar datos, es que no precisan alambres o dispositivos especiales para una vez emitidas viajar hasta su destino. En muchas ocasiones emplear otros métodos puede ser económica o técnicamente imposible o poco viables, como por ejemplo la comunicación con dispositivos móviles terrestres, marinos o aeroespaciales. Por esa razón una de las propiedades más importantes de las ondas de radio es el mecanismo con que se trasladan. No es que no requieran de cables o tuberías lo que las hace tan útiles, sino el que no precisen de absolutamente nada para trasladarse, ¡ni siquiera un "éter"!. Esto no implica que puedan moverse o propagarse a través de cualquier sustancia (en general no pueden hacerlo dentro de los conductores y sufren importe atenuación dentro de los sólidos) o que puedan llegar hasta donde deseemos; tienen limitaciones y leyes que gobiernan su comportamiento, sin embargo las limitaciones son incomparablemente pequeñas respecto de sus posibilidades.

El conjunto de fenómenos por el cual las ondas de radio pueden viajar de un punto al otro se denomina Propagación. La onda puede atravesar diferentes medios (sustancias) o encontrarse con obstáculos y como resultado de ello sufrir importantes cambios de dirección e intensidad en el proceso. La propagación de las ondas dependerá del ambiente por el que viajan, pero también dependerá mucho de su longitud de onda. Los mecanismos de propagación de una onda en el espectro de las ondas medias pueden ser tan diferentes de los que se dan en las ondas ultracortas, que requieran cada una un estudio especial.

Las ondas utilizadas por los receptores comunes de "onda larga" (técnicamente se denominan "ondas medias", aprovechan una propiedad de las señales de esas longitudes de onda que les permite propagarse superficialmente siguiendo la curvatura de la tierra. Estas señales se denominan "ondas de superficie". Con ondas más cortas este mecanismo comienza a ser poco eficaz. Felizmente estas ondas cortas consiguen propagarse muy bien aprovechando la propiedad de las capas superiores de nuestra atmósfera para reflejar ciertas longitudes de onda. Este mecanismo hace posible comunicaciones intercontinentales.

Las comunicaciones usuales de la mayoría de los aficionados se realizan en frecuencias llamadas elevadas y muy elevadas (HF y VHF) (las frecuencias de HF son las de la familiar "onda corta". La propagación en FME (VHF) terrestre (donde se encuentran las emisiones de broadcasting en FM y TV usuales), es casi directa .
Hay otros mecanismos por los que una señal puede llegar aun destino, por ejemplo, reflejándose en objetos existentes en el entorno tales como edificios, montañas, etc. También fenómenos atmosféricos ó cuasi ópticos especiales que dan lugar a mecanismos muy interesantes.
En VHF y UHF, suele ser importante que las antenas se encuentren elevadas sobre el terreno para lograr alguna distancia pues estas ondas se atenúan rápidamente mas allá del horizonte, no obstante para alturas importantes en términos de longitud de onda se producen fenómenos que pueden perjudican mucho un enlace (ver "Zonas de Fresnel"

En las frecuencias elevadas (FE - HF), los mecanismos de propagación son variados, a veces la señal llegará a destino por un camino idéntico al que acabamos de ver para las VHF (especialmente en la parte alta del espectro de HF), otras veces mediante las llamadas ondas terrestres o superficiales (sobre todo en las frecuencias más bajas), pero sin duda el modo más importante en la historia de la radio y para la nuestra en particular se debe a que las ondas pueden reflejarse en regiones que se encuentran a gran altura en la atmósfera, permitiendo alcanzar grandes distancias.
Por este medio, una señal puede viajar por todo globo terrestre reflejándose repetidamente entre alguna de esas regiones y la superficie terrestre. Esas capas reflectoras reciben el nombre de ionosfera porque en ella existen cargas eléctricas llamadas iones responsables del proceso de reflexión.

Las condiciones físicas y eléctricas de la ionosfera que posibilitan la comunicaciones en FE (HF) a grandes distancias están estrechamente relacionadas con las emisiones de energía del Sol, especialmente la radiación ultravioleta. La variable más importante en el proceso es la misma rotación de la tierra que hace que la región ionosférica accesible a las estaciones que intentan enlazar están expuestas sucesivamente a los rayos solares y a la sombra de la tierra a medida que ella gira.
El ángulo de incidencia de los rayos solares en las distintas latitudes y estaciones del año influye en la intensidad de la ionización de la capas atmosféricas reflectoras. Algunos procesos físicos del Sol también llegan a producir efectos tan dramáticos como la anulación total del mismo fenómeno de la propagación ionosférica. Un evento beneficioso para nuestro fin lo constituyen la producción de las llamadas "manchas solares" porque, aunque son muy brillantes, se observan como regiones oscuras por contraste con sus zonas adyacentes. Las manchas producen un aumento en la intensidad de la energía que produce la ionosfera pero, puesto que el sol también está en rotación la energía proyectada por las manchas no alcanza la Tierra en forma continua. También la cantidad de manchas varía con el tiempo en forma cíclica con un período de aproximadamente de once años.

El hecho de que las señales se reflejen en esas capas hace prever que los ángulos con que las ondas llegan a la capa reflectora y adonde serán reflejadas serán de gran importancia de forma semejante al movimiento de las bolas en la mesa de billar. Esto hace que se produzcan zonas a las que la señal no pueda alcanzar porque la reflexión la ha hecho llegar demasiado cerca o demasiado lejos de esos lugares.
Usualmente las ondas arribarán al receptor por varios caminos simultáneamente dando lugar a señales cuya intensidad se refuerza o desvanece más o menos rápidamente con el tiempo (desde fracciones de segundo hasta varios minutos), esto, que sucede permanentemente, se conoce como desvanecimiento (fading).
El mismo fenómeno no solo hace que la señal varíe en intensidad sino que puede producir una distorsión capaz de hacer ininteligible la comunicación.

Conocer esos mecanismos facilita al aficionado predecir aproximadamente las mejores condiciones y horarios para realizar un determinado contacto, hoy existen auxiliares informáticos que son de gran ayuda, aunque la imprevisibilidad, lejos de ser una molestia otorga al aficionado entusiasta un estimulo más para su actividad.


La atmósfera

En el vacío las ondas de radio se mueven relativamente libres de influencias; en general un frente de onda lo hará en línea recta sin sufrir otra alteración que la disminución de su intensidad con la distancia de la fuente. Las estaciones de radio terrestres están sumergidas en un mar de gases donde hay mucha actividad de distinto tipo que varía con la geografía, la altura, la presión, la temperatura, la carga eléctrica, etc. Todos estos factores perturban el movimiento de las ondas de radio modificando su intensidad, dirección, polarización y su integridad. Quien se adentre en el conocimiento de las distintas formas en que se propagan las ondas de radio, de inmediato advertirá que la atmósfera juega un rol preponderante; no es superfluo imaginar los efectos que podría tener la atmósfera de Venus o Júpiter sobre las ondas radiadas por una sonda de investigación para advertir la importancia de este medio en el proceso.

Formas de propagación

No hay una sola manera en que las ondas alcanzan su destino una vez que abandonan su fuente; cómo lo hagan dependerá fundamentalmente de la frecuencia y del medio por el cual deben propagarse. Por ejemplo: una onda de radar puede hacerlo en línea recta hasta alcanzar su objetivo, mientras que una onda de una emisora de onda corta puede recorrer un camino más complicado reflejándose reiteradamente entre la tierra y las capas más altas de la atmósfera. Los resultados de un enlace depende, de la potencia del trasmisor, de la sensibilidad del receptor, del tipo de trasmisión, de la antena, del ambiente en el que está instalada y del modo de propagación de las ondas. Si el medio en que se propagan fuera uniforme las ondas se moverían en línea recta, pero las diferencias de características del medio que ellas encontrarán en su viaje (sólidos, líquidos, gases, vacío, conductores, iones, etc.) determinan su comportamiento real (reflexiones, refracciones, difracciones, atenuaciones).

Nota: En la literatura no hay coincidencia total en los nombres asignados a los distintos caminos que puede seguir la señal y ello produce cierta confusión, aquí trataremos de hacer las aclaraciones necesarias para que los términos empleados puedan compatibilizarse con los utilizados por los distintos autores.

Propagación de las ondas de Radio

Los modos de propagación más comunes son:

Propagación por onda directa (direct wave):

La señal va del trasmisor al receptor por un camino directo sin obstrucciones ni reflexiones de importancia. Es el tipo de propagación que en general encontramos en una señal de VHF/UHF/SHF con una comunicación con un satélite artificial, un radar dirigido hacia un objeto en el cielo, satélites entre si, comunicación con naves espaciales o con otros objetos celestes naturales sobre los cuales se hayan asentado equipos de radio.
Es un término a veces mal usado, cuando se lo aplica a comunicaciones que se producen entre estaciones de HF/VHF/UHF que están dentro del alcance visual, con antenas normalmente elevadas sobre la superficie de la tierra; en estos casos la propagación de dice que es por "onda espacial", en ella están presentes una onda directa y una reflejada en tierra (ver figura debajo)

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Esta antena podría estar comunicando por "onda directa"

Propagación por onda superficial o terrestre (surface wave - ground wave)*

La onda de superficie es una que se mantiene adyacente a la superficie de la tierra siguiendo su curvatura por un proceso de difracción. Tendrá polarización vertical a partir de una corta distancia del trasmisor pues cualquier componente del campo eléctrico horizontal es rápidamente absorbida por la tierra (que actúa como un cortocircuito, para é). Para aprovechar de este tipo de propagación convendrá emplear antenas de polarización vertical.

Es la forma habitual por la cual se reciben las señales de las emisoras de broadcasting de onda media (550 a 1750 KHz) durante las horas del día. También se denomina "propagación por onda terrestre". Este tipo de propagación es especialmente efectivo en el mar tanto en frecuencias medias (MF) como en frecuencias elevadas (HF). El efecto se aprovecha mejor cuando las antenas emiten con ángulos bajos de radiación. Antenas de cuarto o media onda montadas a nivel del suelo son excelentes para este cometido. Ellas permiten lograr comunicados en las frecuencias más bajas (por ejemplo 3,5 MHz) cuando los corresponsales quedan en "zona de salto" (skip) (mayormente durante la noche) o no pueden ser alcanzados durante el día por la absorción de la capa D. A veces se emplea mal este término para los casos de propagación por onda espacial.

* A veces se utiliza el término "onda terrestre" (ground wave) para designar también a las señales que no utilizan la ionosfera para propagarse entre dos estaciones con sus antenas cercanas a la superficie terrestre, este tratamiento suele encontrarse en los manuales de la ARRL incluyendo en esta designación tanto a la onda de superficie (surface wave) como a la onda espacial (space wave).

Propagación por ondas reflejadas en objetos materiales.

Este tipo de propagación es típico de las frecuencia más elevadas. Es responsable de muchos fenómenos que advertimos en las bandas de VHF y superiores. Las señales se reflejan en superficies que pueden considerarse "lisas" para la longitud de onda considerada pudiendo alcanzar lugares que podrían estar ocultos para las señales directas. En microondas suele utilizarse esta posibilidad artificialmente estableciendo repetidores pasivos en lugares elevados (cerros, montañas, edificios).

Propagación por difracción en bordes ("filo de cuchillo"


La difracción es un fenómeno observable en los sistemas físicos en los que intervienen ondas, por el cual las mismas, cuando encuentran un obstáculo, pueden rodearlo parcialmente (por eso podemos oír el sonido a la vuelta de una esquina). Las olas en los lagos o el mar también producen estos efectos.
Mediante la difracción, las señales de VHF o UHF pueden "doblarse" hacia abajo en los bordes de los edificios para que algo de la señal alcance una avenida con suficiente intensidad como para hacer posible el contacto. Del mismo modo en las cimas de los cerros puede producirse una difracción que permite a la señal alcanzar el valle que existe a continuación.


Propagación por onda espacial (space wave) o propagación por línea visual (LOS): *

Si las antenas se encuentran elevadas sobre el terreno la señal puede propagarse sin necesidad de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera, también se la designa como "propagación troposférica" (no confundir con la propagación por "reflexión troposférica". La troposfera es la porción de la atmósfera que ocupa aproximadamente los 16 km más cercanos a la superficie.
La onda espacial esta compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y llega a la antena receptora con cierto retraso. La diferencia de distancia recorrida por el rayo directo y el reflejado determina la intensidad de la señal en el receptor debido al fenómeno conocido en física elemental como "interferencia de ondas".

La onda espacial es el modo fundamental de propagación en las frecuencias superiores a los 30 MHz. También es responsable de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el espectro de HF.
Nota: No debe confundirse este modo con una traducción del término inglés "sky wave" queinterpretarse como "onda celeste o del cielo" y que hace referencia a la propagación por "onda ionosférica".

* Alguna literatura (por ejemplo la citada de la ARRL) también considera a la onda espacial (sky wave) como una de las formas de propagación por "ondas terrestres" ("ground wave".

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Propagación por onda ionosférica o celeste (sky wave):

Cuando un 12 de diciembre de 1901 Marconi logró cubrir una distancia de 3378 km entre Poldhu (en Cornualles un condado al suroeste de Inglaterra) y Saint John´s (en Terranova, provincia más oriental de Canadá), los científicos quedaron estupefactos, porque si las ondas se propagan en líneas rectas ¿cómo podían haber salvado la curvatura de la tierra para alcanzar Terranova?.
Oliver Heaviside, físico inglés y Arthur Kennelly, ingeniero electrónico estadounidense propusieron en 1902 la posibilidad de que esas señales fueran reflejadas por una capa de partículas cargadas que se encontrara a gran altura en la atmosfera. Esta capa fue hallada recién en 1920 por otro físico inglés, Edward V. Appleton quien consiguió calcular su altura mientras estudiaba el fenómeno del desvanecimiento de las señales. Se la nombró "capa de Kennelly-Heaviside" en honor de los mencionados. Se halla a unos 100 km de altura y también se la conoce como capa "E". Poco después se descubrieron otras situadas a partir de los 225 km de altura (las capas F) conocidas como "capas Appleton".

Vemos que en las regiones superiores de la atmósfera se producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de "reflejar" de nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad.
El nombre "ionosfera" fue propuesto en 1930 por el físico escocés Alexander Watson Watt porque los átomos de los gases allí existentes al ser excitados por los fotones de la luz solar liberan electrones. Así, el átomo, normalmente neutro, se desequilibra y queda con una carga neta positiva; se dice que es un ión positivo, los electrones liberados (que poseen carga negativa) se dice que son iones negativos. Ión significa "viajero/que viaja" y su nombre surge históricamente pues dentro de los electrolitos se mueven (viajan) hacia los electrodos que poseen carga opuesta a la suya..

En la ionosfera se producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan alteraciones importantes en la propagación de las señales.

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Manchas solares - flujo solar

Las manchas solares son zonas más oscuras en la fotosfera del Sol en las que se producen intensas concentraciones de flujo magnético (aparecen más oscuros debido a que poseen menor temperatura que la zona circundante, pero su temperatura es del orden de los 3700 °K, y su brillo es aún mayor que la del filamento de una lámpara incandescente fotográfica.
Cuando la cantidad de manchas aumenta también aumenta la emisión de radiación ionizante(que tiene capacidad para arrancar electrones de los átomos), sobre todo rayos ultravioleta. Esta radiación produce la ionización de los átomos de las capas superiores de la atmosfera dando origen a las capas electrónicas que producen la refracción de las ondas devolviéndolas hacia la tierra que hacen posible los comunicados a larga distancia en ondas cortas . La cantidad de manchas presentes aumenta y disminuye con el tiempo siguiendo un ciclo bastante regular que dura unos once años afectando las posibilidades de comunicaciones a lo largo del ciclo. El sol tiene un período de rotación de veintisiete días por lo que las manchas se mueven conforme gira y su efecto sobre la propagación depende de esta rotación. A menudo las mismas manchas persisten durante más de una revolución.

La cantidad de manchas solares existentes en un determinado momento se especifica con un índice llamado "R" o "Número de Wolf" (la cuenta no es la directamente visible). Para las predicciones se suele utilizar el SSN o Smoothed Sunspot Number o "Numero de manchas promediado" (doblemente) Ellas condicionan la propagación ionosférica.
Muy directamente asociado con la cantidad de manchas solares está el flujo de radiación electromagnética en una banda de frecuencias de referencia situada alrededor de los 10,7 cm. Este flujo se mide con precisión y da una indicación bastante representativa del estado de la ionosfera. Se lo conoce como Indice de Flujo Solar - Solar Flux Index (SFI). (Nota: Para el uso radial se utiliza un SSN derivado del SFI denominado SSNf. La relación matemática entre el SFI y el SSNf es aproximadamente: F10.7 = 63.74 + 0.727 * SSNf + 0.000895*SSNf^2)

En HF, valores bajos del SSN (cercanos a cero) pronostica malas condiciones de propagación a distancia en bandas altas y buenas en bajas, a la inversa con valores altos de SSN (más cercanos a 200). Idem para el SFI, siendo bajos los cercanos a 70 y altos los próximos a 250.

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Capas ionosféricas

Las nubes electrónicas mencionadas tienden a formar capas a distintas alturas. A estas capas se las designa mediante letras: D, E, F. Cuanto mayor altura tiene una capa mayor es la distancia posible de alcanzar mediante una sola reflexión. La capa más alta es la F que durante el día está desdoblada en dos, llamadas respectivamente F1 y F2 las cuales se funden en una sola al atardecer. Recientemente se ha identificado una capa, denominada F3, que se forma en bajas latitudes (ecuador) cerca del mediodía, sus efectos son débiles...

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Efectos de las capas

Para comprender algunas de las explicaciones que siguen deberá esforzar su capacidad de visualización, recordando cómo rebota una bola de billar en la banda o una pelota en una pared.

Radioaficionados

La capa D, que se encuentra a baja altura (y es la primera que debe atravesar la señal en su camino hacia las capas superiores), tiene efectos adversos porque absorbe las señales pero no las refractar nuevamente hacia la tierra. Esta capa se forma durante el día; es más densa durante el verano y durante los ciclos de máxima actividad solar. La absorción que produce es importante, sobre todo en frecuencia inferiores a los 7 MHz,.por eso, cuando la absorción es máxima, la capa D dificulta o impide las comunicaciones a largas distancias en las bandas de 40 y 80 m.
Ella dificulta muchísimo las comunicaciones a largas distancia en la banda de 40 m pues para lograr distancias de salto importantes es necesario emplear bajos ángulos de radiación para que los rayos incidan sobre las capas reflectoras en forma casi rasante; con estos ángulos la señal debe recorrer una considerable distancia en el seno de la capa D acabando absorbida por esta por lo que llega muy debilitada a las capas reflectoras (por ello inclusive emisores de mucha potencia como la de las emisoras de broadcasting en 40 m usualmente no se escuchan en horas cercanas al mediodía local).
Cuando el Sol se pone, los iones de la capa D se rápidamente recombinan (en la altura a que están situados se hallan más cercanos entre si por la mayor presión atmosférica), entonces la capa D desaparece casi por completo y las señales logran alcanzar fácilmente las capas reflectoras posibilitando comunicados DX en las bandas más bajas.
En los períodos de mínima actividad solar, y especialmente en invierno, la capa D se debilita lo suficiente como para permitir comunicados a considerables distancias en la banda de 40 m durante el día (como contrapartida las condiciones a corta distancia se hacen inestables o inexistentes pues se producirán zonas de silencio (skip), como luego veremos).

Las capas F1 y F2 prodigan la mayoría de los DX a muy largas distancias en HF por su altura y su capacidad para refractar las señales nuevamente hacia la tierra. Para que las señales puedan aprovechar las capas F, deben atravesar la D dos veces, una de ida y otra de vuelta. Al mismo tiempo las capas F deben tener densidad suficiente para reflejar las señales de la frecuencia considerada. Si se dan estas condiciones son posibles comunicados a gran distancia durante el día. Así sucede sobre todo en la banda de 20 m y superiores, porque la absorción de la capa D es menor en las frecuencias más elevadas del espectro de HF y las señales pueden atravesarla fácilmente. Es menos probable que las señales alcancen las capas F durante el día en 40 m e inferiores porque si consiguen atravesar la capa D resultan reflejadas por la capa E, que se encuentra a menor altura que la F, con lo cual la señal se refleja tierra en un punto más bajo.

metros

Variaciones regulares y predecibles de la ionosfera

Puesto que la ruptura de los átomos en iones es producido principalmente por la radiación solar, se comprende fácilmente que el desarrollo y comportamiento de estas capas esté íntimamente ligado as movimiento aparente del Sol durante el día y a lo largo de las estaciones y a su propia actividad nuclear.

Variaciones diurnas

Originadas por la rotación de la tierra. Las porciones de la atmósfera que dan lugar a los enlaces radiales se mueven acompañando a la superficie, por ello están expuestas durante ciertas horas a la luz solar y durante la noche está en la sombra de la Tierra. Las radiaciones ultravioletas del Sol aumenta la cantidad de electrones disponibles en ella para reflejar señales y por eso la cantidad de electrones disponibles en las diferentes regiones depende fuertemente de esas horas de luz y sombra.

Efecto: Las comunicaciones en las bandas más altas de HF durante el día generalmente más eficaces en las bandas de 14, 21 y 28 MHz durante el día, al mismo tiempo la densidad de la capa E es es suficiente para reflejar todas las señales de frecuencias inferiores haciendo posible comunicados de corta y mediana distancia en la bandas inferiores. Por debajo de los 4 MHz la fuerte ionización de la capa D (la de más baja altura) impide a las ondas atravesarla porque esta capa tiene la propiedad de absorber mucha energía..

Variaciones estacionales

La radiación solar es más intensa en las zonas donde es verano y por lo tanto también en la ionosfera que se halla sobre esas regiones, haciendo que la densidad electrónica media de las capas en ellas sea superior a la del invierno.

Efecto:

Las variaciones estacionales hacen que durante el verano la mayor ionización de las capas faciliten los comunicados a grandes distancias en las frecuencia más altas del espectro de HF. En contrapartida el ruido atmosférico es mayor en verano perturbando las comunicaciones en las bandas más bajas

Variaciones mensuales (27 días)

Se producen por la rotación del Sol sobre su eje. La zona de manchas solares que se hallan sobre la superficie del mismo giran con él afectando a la ionosfera más intensamente cuando enfrentan a nuestro planeta.

Variaciones onceaniales

Debidas al ciclo de actividad solar ya mencionado.

Efecto:

Durante los períodos de máxima actividad solar que se suceden cada 11 años las bandas de HF más elevadas permanecen abiertas durante muchas horas haciendo posible comunicados muy atractivos para el aficionado al DX perseverante o casual, la banda de 10 m ofrece extraordinarios QSO con potencias bajas y la de 6 m aperturas muy frecuentes. Durante los períodos de mínima actividad las bandas más altas están abiertas pocas horas y a veces los comunicados son muy pobres.
Por el contrario, durante los períodos de mínima actividad se generalmente se dan mejores condiciones diurnas en las bandas más bajas (1,8, 3,5 y 7 MHz) debido a la menor ionización de la capa absorbente D.

Variaciones irregulares poco predecibles

Disturbios ionosféricos repentinos - Sudden Ionospheric Disturbance (SID)

Producidas por intensas erupciones (explosiones) solares conocidas como "fulguraciones" (flares) que suceden sin previo aviso y producen un aumento importante en la radiación que llega a la tierra, esta radiación se emite en un amplio espectro de frecuencia, desde frecuencias de RF muy bajas hasta rayos X. Sus efectos duran desde algunos minutos hasta algunas horas.
Los rayos X producen una intensa ionización en las capas inferiores de la ionosfera, sobre todo en la capa D, que aumenta muchísimo su absorbencia (mayor en las bandas de HF más bajas), dando lugar a los denominados "blackouts" o desvanecimientos totales de las señales. Pueden bloquear a tal punto las comunicaciones en HF que a menudo se tiene la sensación de que no hay estaciones operando o que el receptor falla, el nivel de ruido puede aumentar 30 o más dB durante períodos cortos.
El fenómeno se produce en el hemisferio terrestre iluminado por el Sol y afecta poco la zona en sombra, no obstante si el enlace se está realizando entre estas dos zonas naturalmente se verá afectado. Las fulguraciones producen tormentas geomagnéticas y eventos de protones (aumento en la cantidad de protones de alta energía que arriban a la tierra) que contribuyen a la persistencia de estos disturbios.
Las bandas que se recuperan más rápidamente de una fulguración son las más altas, por lo cual conviene retomar nuestra actividad primero en ellas.
Estas erupciones pueden llegar a desarrollar la potencia equivalente a un millón de bombas de hidrógeno, energía más que suficiente para proveer de energía a toda América por más de 50.000 años...


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Tormentas magnéticas y ionosféricas

Es un disturbio global en el campo magnético terrestre que se refleja en la magnetosfera ocasionado fundamentalmente por un gran aumento del viento solar (consistente en chorros de partículas cargadas que arriban a la tierra entre los 15 minutos a 2 horas posteriores a una fulguración solar). La velocidad de estas partículas es tan alta como 1800 km/s con lo cual pueden llegar a la Tierra en 24 hs. La información acerca de la intensidad de las tormentas magnéticas así como su pronósticos es provista por diferentes servicios a través de los denominados "Indices Geomagnéticos", que se designan con las letras Kp y Ap.

El índice Kp da un promedio de las últimas 3 horas, pudiendo variar entre 0 y 9. El índice Ap da un promedio de las últimas 24 horas y puede variar entre 0 y 400. Los números mayores representan tormentas de mayor intensidad en ambos casos. cuando el número Kp excede de 5, se comienzan a emitir alertas, indicadas con el número "G" que puede variar de 1 a 5, siendo el 5 indicador de una tormenta extremadamente severa.

Las tormentas magnéticas destruyen la estratificación normal de las capas dispersando los iones produciendo así la pérdida de su capacidad refractiva usual. Pueden aparecen zonas ionizadas aisladas e irregulares que dan lugar a condiciones de propagación inestables y erráticas con rápidas fluctuaciones del nivel de señal (flutter. También originan variaciones importantes en las frecuencias críticas y en la altura de las capas; se mantiene baja la MUF hasta que las condiciones se van normalizando. Si bien la intensidad de las tormentas suele ser mayor en los períodos de mayor actividad solar, en los períodos de actividad baja sus efectos suelen ser más severos y duraderos.
Cuando luego de una fulguración arriba el chorro de partículas a los pocos minutos u horas, pueden esperarse varios días con malas condiciones de propagación.
Recuerde: cuanto mayor es el índice A y K peores son las condiciones. Un mayor A es indica que peor han estado las condiciones, un mayor K cuan peor están ahora.

¿Reflexión o refracción?

Es común explicar el proceso por el cual la ionosfera devuelve las ondas a tierra como una "reflexión", algo similar a lo que le sucede a un rayo de luz en un espejo, o bien imaginar que las señales "rebotan" como una pelota en una pared. Un rebote o una reflexión sucede en general en un lugar bien definido, por ejemplo el espejo o la pared, sin embargo las ondas en realidad son devueltas debido al fenómeno conocido como refracción.
La refracción se produce porque las ondas de radio o luminosas se propagan a distinta velocidad en medios diferentes, a ella se debe que una varilla sumergida en agua clara se vea "quebrada". La ionosfera no es una zona con límites determinados que surge de golpe, sino que su densidad aumenta progresivamente y al ingresar a la ionosfera las ondas van encontrando un medio distinto y son curvadas hasta que por fin son devueltas a la tierra, desde el punto de vista práctico todo sucede como si fueran reflejadas en un límite preciso conocido como "altura virtual" de la capa..

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Zona de silencio (skip zone)

La zona de silencio o "zona de skip" es un área alrededor del trasmisor que no es alcanzada por la onda ionosférica, la espacial o la terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las señales del trasmisor.
A partir de cierta frecuencia, cuando la señal incide sobre la ionosfera con ángulos próximos a la vertical, la atraviesa sin reflejarse, las señales no son devueltas a la tierra y no puede establecerse contacto entre estaciones que precisen de una reflexión en tal ángulo; a medida que ese ángulo se hace más rasante, llega un punto en que la ionosfera si puede reflejar la señal hacia tierra y pueden comunicar entre si estaciones situadas entre los dos puntos que ese ángulo determina.
Supongamos que rayos más verticales que el indicado en la figura no pudieran ser reflejados, entonces la zona de skip o silencio es la que hay entre la la parte alcanzada por la onda terrestre (ground wave) de la estación emisora y el punto en que la señal arriba a la tierra reflejada por la ionosfera
Esta zona suele ser más amplia durante la noche, en invierno y durante los períodos de menor actividad solar debido a que en estas situaciones la densidad de la capa ionizada es menor, haciendo imposibles los comunicados a corta distancia sobre la banda considerada. En este caso la solución para comunicar con estaciones más cercanas es emplear frecuencias más bajas.

Distancia de salto (hop lenght)

Es la distancia sobre la tierra que alcanza una onda de radio luego de ser reflejada una vez en la ionosfera, la distancia de salto depende de la altura de la capa en la cual se produce la reflexión y del ángulo de incidencia de la onda sobre la misma. La máxima distancia de salto se producirá con una incidencia casi rasante para una dada altura de la capa. Por ejemplo mediante la capa F situada a una altura de unos 300 km con un ángulo de radiación vertical de la antena de unos 4 grados, la distancia de salto será de aproximadamente 3200 km; en similares condiciones, mediante la capa E (100 km) la distancia máxima será solamente de unos 1800 km. Se logran cubrir distancias mayores con varios saltos. Por ejemplo podrían cubrirse unos 6100 km con un mínimo de cuatro saltos en la capa E o dos saltos vía la capa F. Si los ángulos de radiación de las antenas fueran mayores se requerirían más saltos para lograr estas distancias.

Tabla de ángulo de disparo de la antena y distancia de salto correspondiente (los valores indicados resultan de un cálculo, han de interpretarse como aproximados). (Surge de averiguar la distancia de salto resultante de la MUF y la altura de la capa, la MUF = Fcritica / Seno del ángulo de incidencia de la señal)

Ang. disparo Distancia
(grados) F2 Día (km) F2 Noche (km)
0 3220 4508
5 2415 3703
10 1932 2898
15 1450 2254
20 1127 1771
25 966 1610
30 725 1328
35 644 1127
40 564 966
45 443 805
50 403 685
69 258 443
70 153 290
80 80 145
90 0 0


Si la ionosfera fuera realmente un espejo y mediante un reflector se pretendiera utilizarla para iluminar una zona en tierra haciendo reflejar en ella la luz del reflector, es fácil advertir que habrá un ángulo apropiado para lograrlo, si la luz incide más verticalmente su reflejo cae antes del punto deseado y si la incidencia fuera más rasante la luz reflejada sobrepasaría el objetivo. El haz (o los haces, pues pueden ser varios) de energía de la antena (lóbulos de radiación verticales) son más o menos anchos y por ello el ángulo no es muy crítico, pero si podemos conseguir que la porción principal de la energía arribe a la ionosfera en el mejor ángulo, eso favorecería a la comunicación.
Al ángulo vertical en que la antena irradia su máxima energía se lo suele llamar "ángulo de disparo". Si de algún modo logramos controlar ese ángulo para igualarlo al óptimo sería de gran valor. Aunque no es fácil lograr tal control en la instalación típica de un radioaficionado con antenas especialmente diseñadas para el propósito puede lograrse algo con el simple expediente de subir y bajar un dipolo mediante roldanas, pues el/los lóbulos de radiación vertical dependen fuertemente de la altura de las antenas.

En general los ángulos más bajos de radiación de la antena convendrán para comunicados a largas distancias y ángulos más elevados para los comunicados locales. El diagrama de radiación vertical depende del tipo de antena pero fundamentalmente de su altura sobre el terreno. Es un error corriente creer que en HF no es importante la altura de la antena "porque la señal rebota en la ionosfera". Por un lado cuando las antenas están bajas están sujetas a mayores pérdidas por la absorción de la tierra y otros objetos sino que el lóbulo de radiación vertical más bajo (pues pueden ser varios) tiende a tener un ángulo menor a medida que se eleva la antena sobre el terreno y eso es lo que se busca para comunicados a grandes distancias.

Propagación en VHF/UHF y superiores

En las frecuencias más altas del espectro la ionosfera ya no es capaz de reflejar las ondas de radio y prácticamente no existen comunicaciones por su intermedio, entonces se dice que las comunicaciones se realizan por onda directa que se mueven en líneas rectas, con lo cual el alcance queda limitado por la curvatura de la tierra a distancias que no exceden mucho el horizonte. En este caso la altura de las antenas cobra una importancia mayor porque amplía ese horizonte. Como la parte baja de la atmósfera se denomina troposfera la propagación entre estaciones sobre la superficie de la tierra se denomina por "ondas troposféricas" (la troposfera es la parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la tierra y en la cual suceden los fenómenos meteorológicos comunes).

Desvanecimiento (Fading)

Cuando se reciben ondas de radio de un mismo punto, se encuentra que la intensidad de las mismas varía notablemente según la hora del día, la época del año etc, según se vio, pero es común percibir una variación mucho más rápida en la intensidad que puede producirse desde muy lentamente (minutos) hasta bastante rápidos (décimas de segundo). Estas variaciones más o menos rápidas se conocen como "desvanecimientos" y obedecen a diferentes causas, tales como:

* Que varíen las condiciones físicas del medio por el cual viajan las señales (variaciones de densidad de la atmósfera, del contenido de vapor, de iones, etc.)
* Que lleguen al receptor distintas "copias" de la señal recorriendo múltiples caminos (multipath). Las diferentes copias arriban ligeramente desfasadas haciendo que se sumen o se resten sus amplitudes (diferencias de fase). Como estos caminos están continuamente variando el efecto de atenuación o refuerzo varía con el tiempo.
* Que se produzcan reflexiones en objetos que están en movimiento provocando el efecto anterior (aviones, automóviles, etc.)
* Que el trasmisor y o el receptor estén en movimiento y los caminos de la señal estén variando con el tiempo.
* Que se atenúen algunas frecuencias mientras que otras inmediatamente cercanas no deformando las señales (desvanecimiento selectivo).

Las causas del desvanecimiento pueden ser muy numerosas, como se ve, pero en todos los casos producen un deterioro más o menos pronunciado de la calidad del enlace. Aunque pueden tomarse algunas medidas para soslayar su efecto, muchas de ellas no son fáciles de implementar en la instalación común de un radioaficionado.

FMU, MFU, FOT (en inglés MFU LFU OTF )

Estos conceptos son muy importantes cuando se intentan realizar comunicaciones ionosféricas en ondas cortas, conocerlos permitirá no solamente comprender cómo se manifestarán los efectos que se han visto, sino preverlos y aprovecharlos prácticamente. Cuando para uno la propagación está "mala", para otro las cosas están sucediendo de acuerdo a lo previsto. La diferencia puede ir desde obtener una buena clasificación en un concurso hasta saber cuál es el mejor horario par hablar con estaciones de diversas partes del mundo en diferentes estaciones, horarios o años del ciclo solar.

Recuerde lo siguiente: La Frecuencia Máxima Utilizable (MUF - Maximun Usable Frequency) siempre hace referencia al contacto con un punto determinado. Es la mayor frecuencia que se puede emplear para contactar con ese punto, si se supera esta frecuencia, simplemente la señal "perforará" o se perderá en la capa y no será devuelta a la tierra. Esto sucede en parte porque cuanto más perpendicularmente incida la señal sobre la capa más fácilmente la perforará y cuanto más rasante lo haga, más fácil será que ella pueda reflejarla. En la figura se ve que esto es lo que sucede con los rayos fa y fm. Recién el fb posee una frecuencia lo suficientemente baja para que la capa lo refleje hacia el punto deseado, pero la otra figura muestra que para un punto que precise de un ángulo del rayo algo más rasante solamente el fa perfora la capa y fm puede ser reflejada al igual que fa

Agregar una figura con tres rayos, 2 perforan y uno rebota

Otra figura con los mismos tres rayos y otro punto, donde uno perfora y dos rebotan.

Figura con capa a distinta altura.

A medida que la densidad de la capa disminuye, cada vez es menor su capacidad para devolver la señal a tierra, por tanto a medida que se aproxima la noche se hará necesario bajar más la frecuencia para poder mantener contacto con el mismo punto.

Si se analiza el problema desde otro punto de vista (viendo qué sucede si conservamos fija la frecuencia), pudiera ser que esa frecuencia sea la máxima posible para alcanzar un punto, pero aún así continuará siendo adecuada para puntos más distantes porque para llegar a ellos los rayos deben alcanzar la capa de manera más rasante y en esas condiciones ellas será capaz de reflejarlos como se ve en la figura. Comprender esto es esencial para entender qué sucede cuando las capas pierden densidad, sea porque es de noche, o el ciclo de actividad solar está cerca de sus mínimos.
Lo que puede observarse de inmediato es que la zona de salto aumenta en tales circunstancias, por lo cual solo serán posibles contactos a distancias mayores manteniendo una dada frecuencia, dicho de otro modo: la FMU para contactar con puntos cercano necesita ser mayor, si se mantiene la frecuencia no logrará el contacto a esa distancia pero si a mayores, por eso, a medida que desciende la densidad de ionización, se va perdiendo capacidad de comunicar con estaciones cercanas y se impone disminuir la frecuencia de trabajo del circuito.

Queda claro que para contactar con cierto punto debe utilizarse una frecuencia igual o inferior a la FMU, pero ¿porqué no operar con una frecuencia mucho menor que la FMU y así soslayar esos inconvenientes?. Esto nos llevará a ver la denominada Mínima Frecuencia Utilizable, pero antes veamos lo siguiente:

Frecuencia crítica


La ionosfera puede llegar a tener densidad suficiente como para reflejar una señal aunque la misma la alcance perpendicularmente, a medida que aumentamos la frecuencia penetra más y más hasta que finalmente perfora la capa y ya no puede reflejarla. La máxima frecuencia que puede reflejar la capa cuando el rayo incide perpendicularmente a ella se llama "Frecuencia crítica de incidencia vertical" o simplemente "frecuencia crítica". Esta frecuencia puede llegar a ser tan baja como 2 MHz por la noche o tan alta como unos 15 MHz durante el día

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Se obtiene la frecuencia crítica mediante un trasmisor que emite una señal verticalmente para que sea reflejada por la capa, aumentando su frecuencia hasta que desaparece la reflexión. Esa será la frecuencia crítica buscada.
Esto está íntimamente relacionado con la FMU, ya que empleando una frecuencia menor que la crítica, en principio todos los puntos serían alcanzables y no habrá zona de skip.
El conocimiento de la frecuencia crítica de una capa nos permite averiguar fácilmente la Máxima Frecuencia Utilizable (MUF, en inglés) para un enlace en particular.

Altura virtual de la capa

Si al averiguar la frecuencia crítica se mide tiempo de ida y vuelta de la señal puede establecerse la altura a la cuál debería estar situada una capa imaginaria que produjera una reflexión semejante a la producida por el efecto de refracción. Esa altura imaginaria se llama "altura virtual". Aunque la señal sufre un proceso diferente, el efecto final es como si la señal fuera verdaderamente reflejada en tal capa ficticia.

Mínima Frecuencia Utilizable y Frecuencia Optima de Trabajo.

A primera vista parecería que utilizando frecuencias menores que la máxima utilizable, o aún mejor, menores que la frecuencia crítica se resolverían todas estas situaciones, desafortunadamente no es así. Es probable que debajo de la capa que se está tratando de aprovechar (por su mayor altura) exista otra que también tiene capacidad para refractar señales, o bien que ellas absorban las señales de frecuencias más bajas (por ejemplo la capa D), impidiendo que alcancen la capa superior que les permitiría producir saltos a mayor distancia y así, para cubrir una determinada distancia, resultarían necesarias varias reflexiones sucesivas entre la ionosfera y la tierra, en estas condiciones la señal puede atenuarse tanto como para no llegar con un valor adecuado en el receptor. Lo que sucede es que a partir de la MUF hacia abajo se advierte un deterioro progresivo en la intensidad de señales hasta que finalmente quedan enmascaradas totalmente en el ruido atmosférico.
La menor frecuencia a la que es posible realizar el contacto se denomina "Mínima Frecuencia Utilizable" (LUF - Lowest Usable Frequency) y resulta de la atenuación que se produce a frecuencias más bajas, por eso, mientras la FMU establece un límite inevitable, la MFU puede soslayarse utilizando mayor potencia para hacer llegar al receptor suficiente señal a pesar de la atenuación, eso no siempre será posible, tanto por limitaciones prácticas como de requisitos reglamentarios.
Es importante destacar que las señales más intensas habitualmente se logran cuando el enlace se realiza utilizando frecuencias levemente más bajas que la FMU (MUF), Una frecuencia situada aproximadamente un 15 % por debajo de la FMU se la denomina Frecuencia Optima de Trabajo (FOT - Frequency od Optimun Transmission), porque provee una señal intensa y estable...

NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) - Onda celeste de incidencia casi vertical

Este modo de propagación se presenta cuando una señal que arriba a la ionosfera con un ángulo de incidencia cercano a la vertical, es reflejada por ella con intensidad suficiente como para proveer comunicaciones útiles. Como se muestra en la figura este modo permite sortear obstáculos elevados tales como montañas o cerros. Es un modo típicamente local. Para ser posible requiere que la frecuencia crítica de la capa sea mayor que la de operación, pues de lo contrario la señal la atravesará sin ser reflejada. Con este modo conviene emplear antenas cuyo diagrama de radiación concentre la mayor energía posible en ángulos elevados (lo contrario a lo que se busca para comunicaciones de larga distancia). En este sentido darán buenos resultados los dipolos a baja altura (un cuarto de onda o menos), o dipolos con un reflector parásito instalado debajo del mismo.
Si usted está interesado en mantener buenos contactos locales en la banda de 80 o 160 m (y con reservas en la de 40 m) puede instalar una antena que aproveche esta posibilidad o recurrir a disminuir la altura un dipolo extendido normal mediante roldanas, si fuera necesario.

CW

Ruido atmosférico

Extraer textos de artículo sobre ruido de LU6ETJ

Efecto Doppler

Quien haya oído el silbato de una locomotora o la bocina de un automóvil que se acerca, pasa frente a nosotros y se aleja nuevamente rápidamente, habrá advertido que la frecuencia del sonido disminuye bruscamente cuando el vehículo pasa por delante y comienza a alejarse. Si el vehículo estuviera detenido, se notaría que la frecuencia del sonido en reposo posee valor intermedio entre esos dos. Efectivamente, cuando la fuente de sonido se acerca, su frecuencia es mayor, y a la inversa. No se trata de una ilusión, sino de un fenómeno físico real que también se manifiesta con las ondas electromagnéticas. Así, cuando una fuente de ondas de radio se está acercando su frecuencia es mayor y viceversa. Este fenómeno se conoce como "Efecto Doppler" en honor del Físico y matemático austríaco Christian Andreas Doppler. Gracias a este efecto se propuso la hipótesis del universo en expansión y el "Big Bang", pues creemos que las galaxias lejanas se alejan de nosotros tan rápidamente que la frecuencia de la luz disminuye haciendo que todo su espectro se corra hacia el rojo.
El efecto Doppler es muy notable cuando se emplean satélites artificiales de aficionados de órbita baja, pues su velocidad relativa es muy alta y en un receptor eso se convierte en un corrimiento de frecuencia muy notable (algunos kHz) que obliga a resintonizar el equipo y causa problemas con los sistemas de datos sensible a la frecuencia.

Propagación por dispersión troposférica

Cambios de polarización en la reflexión ionosférica.

En su viaje a través de la ionosfera las señales de radio que partieron de la antena con una determinada polarización sufren cambios importantes en la dirección y/o tipo de polarización. El campo magnético de la Tierra hace que la ionosfera sea un medio que no presenta las mismas propiedades en distintas direcciones (anisotropía). La señal original se subdivide en dos ondas (denominadas onda ordinaria y onda extraordinaria) de diferente polarización las que tienen constantes de propagación diferentes por lo que al salir de la ionosfera se recombinan de tal manera que la polarización original resulta cambiada, dando lugar a desvanecimientos de la señal recibida.

Rotación de Faraday

Cuando las señales tienen suficiente frecuencia como para atravesar la ionosfera, también sufren cambios en su polarización por efecto del campo magnético de la tierra, aún en frecuencias muy elevadas. Este fenómeno es importante en las comunicaciones de VHF y UHF con satélites artificiales o en rebote lunar lo que hace aconsejable el empleo de antenas de polarización circular o doble polarización. Si no se emplean antenas de polarización circular, el desvanecimiento por desalineación puede durar algunos minutos.

Sistemas "diversity"

Diversity de frecuencia

El problema del desvanecimiento de las señales puede resolverse parcialmente aprovechando el hecho de que la señal no se desvanece igualmente en distintas frecuencias aunque estas se hallen bastantes próximas (lo que produce lo que los aficionados llaman coloquialmente "QSB deformante" en radiotelefonía) y con más razón cuando se encuentran más alejadas. Esta propiedad se aprovecha en los sistemas de radioteletipo y similares, mediante la manipulación por desplazamiento de frecuencia FSK, como se describe en el capítulo correspondiente, lo cual puede verse claramente con los populares programas de PC que muestran el nivel de las señales de marca y espacio en diferentes formatos visuales.
También están menos sujetas al desvanecimiento aquellas trasmisiones que emplean mayor ancho de banda para transportar la información como los sistemas de FM, aunque estos demandan anchos de banda poco aceptables en HF.

Diversity por diferencia de situación geográfica


Otra forma de diversity resulta del hecho de que la señal no se desvanece igualmente en ubicaciones separadas entre si alguna longitudes de onda. Empleando más de una antena para recepción se puede sacar provecho de esta peculiaridad. Se aplica la señal de cada antena a varios receptores sintonizados a la misma frecuencia y la salida de los detectores se combina de manera tal que aquella que tiene mayor intensidad se emplea para controlar la ganancia de todos ellos, con lo cual la que alcanza el parlante siempre proviene de aquel que recibe con mayor intensidad.

Disversity inteligente


El abaratamiento de la tecnología de computación permite desarrollar sistemas aun más perfeccionados controlados por sistemas con mayor inteligencia. Con estos métodos es posible controlar la directividad vertical y horizontal de los sistemas de antena al mismo tiempo que se aprovechan posibilidades como las mencionadas en los dos puntos anteriores. aunque estas técnicas no son usuales en la actividad del radioaficionado normal es ilustrativo mencionar estas técnicas ingeniosas para alcanzar una recepción más perfecta en HF.

FUENTE

FIN PARTE 1. CONTINÚA EN PARTE 2.

10 comentarios - Propagación de las ondas de Radio

malvelus +1
Cap_Pelela dijo:esto es brujeria

hay que llamar a la santisima inquisicion para que purifique su alma con fuego!!!
malvelus
Hans_Grubber dijo:
Cap_Pelela dijo:esto es brujeria


Jajaja, si, a veces parece brujería.

te rcomendaria eso si, metele mas imagenes, estos temas son muy interesantes, pero no pongas el tipico grafico de libro, usa otro tipo de imagenes, hace lo mismo que karl sagan!!! igual es muy interesante postear esta clase de info!
tip120
Muy interessante, siempre he usado circuitos control remoto pero jamás había pensado en como funcaba todo jaja.

Buen aporte!
walmet +1
este es un post de los que valen!!!!!No tengo puntos pero igualmente te felicito por la info!!!!