CAPITULO 9 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

 

Ondas Electromagnéticas

    Una Onda Electromagnética  puede propagarse en el vacío (a la velocidad de la luz: c = 300,000 km/s) sin necesidad de que exista un medio físico como el aire o el agua para el transporte de energía. Las OEM son tridimensionales (por su número de direcciones de propagación) y transversales.

    Las OEM son una forma de transportar señales por un medio como ser el aire o por el vacío, de aquí su gran importancia. Se puede emitir una señal desde un transmisor (donde se genera la onda), enviarla hacia una antena transmisora, propagar la onda generada por el aire hacia una antena receptora, en la antena receptora se recibe la onda y se convierte en una señal eléctrica hacia un receptor (donde se recupera la onda). Esta onda contiene información que una vez recibida por el receptor, se puede procesar esa señal y obtener la información que se envió.

    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

al 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 de radio son ondas 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 son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos

gamma.

    Propagación de Ondas

    La propagación de ondas se refiere a la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre. Aunque el espacio libre realmente implica en el vacío, con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre y se puede considerar siempre así. La principal diferencia es que la atmósfera de la Tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentran en el vacío.

    Las ondas electromagnéticas se propagan a través de cualquier material dieléctrico incluyendo el aire pero no se propagan bien a través de conductores con pérdidas como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material disipando con rapidez la energía de las ondas.

    Las ondas de radio se consideran ondas electromagnéticas como la luz y al igual  que ésta, viajan a través del espacio libre en línea recta con una velocidad de 300,000,000 metros por segundo. Otras formas de ondas electromagnéticas son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

    Las ondas de radio se propagan por la atmósfera terrestre con energía transmitida por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena receptora. La radiación y la captura de esta energía son funciones de las antenas y de la distancia entre ellas.

Concepto físico de onda

    Normalmente una onda es una perturbación que se propaga, que transporta energía, pero no transporta masa. Se pueden distinguir dos tipos básicos de ondas.

• Ondas Mecánicas: Estas ondas necesitan un medio material para propagarse, este medio puede ser gaseoso (aire), líquido (agua) o sólido (cuerdas, resortes, suelo, pared). Un ejemplo de estas ondas son las ondas producidas al dejar caer una piedra en el agua o al agitar una cuerda.
• Ondas Electromagnéticas: A diferencia de las anteriores, estas ondas no necesitan un medio material para propagarse, pueden propagarse en el vacío y surgen de la interacción entre electricidad y magnetismo como veremos más adelante. Son ejemplos de estas ondas las ondas de radio, de TV, microondas, radiación infrarroja, visible o ultravioleta; Rayos X y gamma.

    Las ondas pueden ser transversales o longitudinales. En las primeras, la excitación es perpendicular a la dirección de propagación de la onda; en las segundas, la excitación es paralela a la dirección de propagación de la onda.

    Cualquiera que sea el medio que transmite las ondas, aire, una cuerda tensa, un cable eléctrico o el vacío, todos los movimientos ondulatorios están regidos por una ecuación denominada ecuación de ondas. La parte matemática del problema consiste en resolver esta ecuación imponiendo las condiciones adecuadas al caso en estudio e interpretar su solución apropiadamente. A pesar de la diversidad de las ondas hay muchas características que son comunes a todas ellas.

Frentes de Onda

    Las ondas electromagnéticas no son visibles al ojo humano y se debe de analizar con métodos indirectos mediante esquemas. Los conceptos de rayos y frentes de onda son auxiliares para ilustrar los efectos de propagación de las ondas electromagnéticas a través del espacio libre. Un rayo se considera como una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética. Estos rayos son utilizados para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética pero esto no indica que se refiere a la propagación de una sola onda electromagnética.

Un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante. El frente de onda es formado cuando se unen los puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente

Frente de onda plana

Un frente de onda plana representa un frente de onda con una superficie que es perpendicular a la dirección de propagación, cuando una superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación como se muestra en la figura 1.1. En cuanto mas cerca está el frente de la fuente, el frente de onda se vuelve mas complicado

Frente de onda producido por una fuente puntual

    Gran parte de los frentes de onda son por lo general más complicados que los frentes de onda plana, en una fuente puntual, varios rayos son propagados desde ella en todas direcciones. Esta fuente se considera una fuente isotrópica y el frente de onda generado por la fuente puntual se considera una esfera con su respectivo radio y en la cual su centro está en el punto donde se originan las ondas.

    En el espacio libre, y a una distancia de la superficie de la fuente, los rayos dentro de una superficie pequeña del frente de onda esférico son casi paralelos a la dirección de propagación mostrados en la figura 1.2, por lo tanto, a mayor distancia de la fuente la propagación, el frente de onda se parece mas a un frente de onda plano por lo que en la mayoría de los casos los frentes de onda esféricos se pueden simplificar como frentes de onda planos.

Frente de onda producido por una fuente puntual. 

Frente de onda esférico

Para generar un frente de onda esférico, se necesita un radiador isotrópico que irradie en todas direcciones, en la realidad no existen radiadores isotrópicos pero se puede aproximar al radiador de una antena omnidireccional, el cual es capaz de producir un frente de onda esférico con radio R. Todos los puntos que se encuentran a una distancia R, se encuentran en la superficie de la esfera y cuentan con la misma densidad de potencia. En cualquier otro momento, la potencia irradiada, se encuentra uniformemente distribuida sobre la superficie total de la esfera, donde se considera que el medio de transmisión no tiene pérdidas. 

La potencia irradiada por la fuente puntual se encuentra distribuida en la superficie total de la esfera donde la potencia total irradiada es.

P = Pr ad

4pR ²                                                                                   Ecuación 1

Donde

 Prad = potencia total irradiada (watts)

R = radio de la esfera, que es igual a la distancia de cualquier punto de la superficie de la esfera a la fuente

4pR ² = área de la esfera

Frente de onda producido por una fuente puntual. 

Ley del cuadrado inverso.

     La ley del cuadrado inverso nos dice que entre más lejano va el frente de onda de la antena transmisora, la densidad de potencia es más pequeña. En estos casos la potencia total distribuida sobre la esfera queda de la misma cantidad. Por otro lado el área de la esfera aumenta en proporción directa a la distancia a la que se encuentra de la fuente elevada al cuadrado, es decir, el radio de la esfera elevado al cuadrado y esto nos causa una menor densidad de potencia ya que ésta disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente.

Pérdidas de la señal en el espacio libre

    El espacio libre puede ser considerado como vacío y no se consideran pérdidas. Cuando las ondas electromagnéticas se encuentran en el vacío, se llegan a dispersar y se reduce la densidad de potencia a lo que es llamado atenuación. La atenuación se presenta tanto en el espacio libre como en la atmósfera terrestre. La atmósfera terrestre no se le considera vacío debido a que contiene partículas que pueden absorber la energía electromagnética y a este tipo de reducción de potencia se le llama pérdidas por absorción la cual no se presenta cuando las ondas viajan afuera de la atmósfera terrestre.

Atenuación

    La atenuación es descrita matemáticamente por la ley del cuadrado inverso que describe como es que se reduce la densidad de potencia con la distancia a la fuente. El campo electromagnético continuo se dispersa a medida que el frente de onda se aleja de la fuente, lo que hace que las ondas electromagnéticas se alejen cada vez más entre si. En consecuencia, la cantidad de ondas por unidad de área es menor.

    Cabe destacar que no se pierde ni se disipa nada de la potencia irradiada por la fuente a medida que el frente de onda se aleja, sino que el frente se extiende cada vez mas sobre un área mayor lo que hace una perdida de potencia que se suele llamar atenuación de la onda. La atenuación de la onda se debe a la dispersión esférica de la onda, a veces se le llama atenuación espacial de la onda.

PROPAGACIÓN TERRESTRE DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

    Las ondas electromagnéticas de radio que viajan dentro de la atmósfera terrestre se llaman ondas terrestres, y las comunicaciones entre dos o más puntos de la Tierra se llaman radiocomunicaciones terrestres. Las ondas terrestres se ven influidas por la atmósfera y por la Tierra misma. En las radiocomunicaciones terrestres, las ondas se pueden propagar de varias formas, que dependen de la clase del sistema y del ambiente. Como se dijo antes, las ondas electromagnéticas también viajan en línea recta, excepto cuando la Tierra y su atmósfera alteran sus trayectorias. En esencia, hay tres formas de propagación de ondas electromagnéticas dentro de la atmósfera terrestre: onda terrestre, onda espacial (que comprende ondas directas y reflejadas en el suelo) y ondas celestes o ionosféricas.

    La fig.  ilustra los modos normales de propagación entre dos antenas de radio. En todo sistema de radio existen los tres modos, sin embargo, algunos son despreciables en ciertos intervalos de frecuencia, o sobre determinada clase de terreno. A frecuencias menores que 1.5 MHz, las ondas terrestres tienen la mejor difusión, porque las pérdidas en el suelo aumentan con rapidez al aumentar la frecuencia. Las ondas celestes se usan para aplicaciones de alta frecuencia, y las ondas espaciales se usan para frecuencias muy elevadas.

    Una onda terrestre es una onda electromagnética que viaja por la superficie de la Tierra. Por eso

a las ondas terrestres también se les llama ondas superficiales. Las ondas terrestres deben estar

polarizadas verticalmente. Esto se debe a que el campo eléctrico, en una onda polarizada horizontalmente,

sería paralelo a la superficie de la tierra, y esas ondas se pondrían en corto por la conductividad del suelo. Con las ondas terrestres, el campo eléctrico variable induce voltajes en la superficie terrestre, que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una línea de transmisión.

   

     La superficie terrestre también tiene pérdidas por resistencia y por dieléctrico. Por consiguiente,

las ondas terrestres se atenúan a medida que se propagan. Se propagan mejor sobre una

superficie buena conductora, como por ejemplo, agua salada, y se propagan mal sobre superficies

desérticas. Las pérdidas en las ondas terrestres aumentan rápidamente al aumentar la frecuencia.

Por consiguiente, su propagación se limita en general a frecuencias menores que 2 MHz.

    La fig.representa la propagación de las ondas terrestres. La atmósfera terrestre tiene un gradiente de densidad, es decir, la densidad disminuye en forma gradual conforme aumenta la distancia a la superficie de la Tierra; esto hace que el frente de onda se incline en forma progresiva hacia adelante. Así, la onda terrestre se propaga en torno a la Tierra y queda cerca de su superficie; si se transmite la potencia suficiente, el frente de onda se podría propagar más allá del horizonte, o hasta por toda la circunferencia de la Tierra. Sin embargo, se debe tener cuidado al seleccionar la frecuencia y el terreno sobre el que se va a propagar la onda terrestre, para asegurarse de que no se incline demasiado y se “caiga”, de plano sobre el suelo, cesando de propagarse.

    La propagación por ondas terrestres se usa normalmente en comunicaciones entre barcos y de barco a tierra, para la radionavegación y para comunicaciones marítimas móviles. Las ondas terrestres tienen frecuencias tan bajas como 15 kHz.