propagación de radio

La propagación de radio es el comportamiento de las ondas de radio a medida que viajan, o se propagan , de un punto a otro en el vacío , o en varias partes de la atmósfera . ^{[ 1 ] : 26-1} Como una 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 . ^{[ 2 ]} Comprender los efectos de las condiciones variables en la propagación de radio tiene muchas aplicaciones prácticas, desde la elección de frecuencias para comunicaciones de radioaficionados , emisoras internacionales de onda corta , hasta el diseño de sistemas de telefonía móvil confiables , la radionavegación y el funcionamiento de sistemas de radar .

En los sistemas prácticos de transmisión de radio se utilizan varios tipos de propagación. La propagación en línea de visión se refiere a las ondas de radio que viajan en línea recta desde la antena transmisora ​​hasta la receptora. Este tipo de transmisión se utiliza para comunicaciones de radio de media distancia, como teléfonos celulares , teléfonos inalámbricos , walkie-talkies , redes inalámbricas , radio FM , radiodifusión televisiva , radar y comunicaciones por satélite (como la televisión por satélite ). La transmisión en línea de visión en la superficie terrestre está limitada a la distancia hasta el horizonte visual, que depende de la altura de las antenas transmisora ​​y receptora. Dado que la atmósfera terrestre no tiene propiedades uniformes, el cálculo de la distancia en línea de visión debe incluir el efecto de refracción en la atmósfera y la atenuación en algunas frecuencias debido a la precipitación y el vapor de agua. El alcance de la transmisión en línea de visión puede extenderse mediante reflectores naturales o artificiales.

En frecuencias más bajas en las bandas MF , LF y VLF , la difracción permite que las ondas de radio se curven sobre colinas y otros obstáculos, y viajen más allá del horizonte, siguiendo el contorno de la Tierra. Estas se denominan ondas superficiales o propagación por ondas terrestres . Las estaciones de radiodifusión AM y las estaciones de radioaficionados utilizan ondas terrestres para cubrir sus áreas de escucha. A medida que la frecuencia disminuye, la atenuación con la distancia se reduce, por lo que las ondas terrestres de frecuencia muy baja (VLF) a frecuencia extremadamente baja (ELF) pueden utilizarse 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 de minas y la comunicación militar con submarinos sumergidos .

En las frecuencias de onda media y onda corta ( bandas MF y HF ), las ondas de radio pueden refractarse en la ionosfera , una capa de partículas cargadas ( iones ) situada en la parte superior de la atmósfera. Esto significa que las ondas de radio medias y cortas transmitidas en ángulo hacia el cielo pueden refractarse de vuelta a la Tierra a grandes distancias más allá del horizonte, incluso a distancias transcontinentales. Esto se denomina propagación por onda ionosférica . Los radioaficionados la utilizan para comunicarse con operadores en países distantes, y las emisoras de onda corta para transmitir internacionalmente. ^{[ a ]}

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

A diferentes frecuencias, las ondas de radio viajan a través de la atmósfera mediante diferentes mecanismos o modos: ^{[ 3 ]}

En el espacio libre , todas las ondas electromagnéticas (radio, luz, rayos X, etc.) obedecen la ley del inverso del cuadrado , que establece que la densidad de potencia${\displaystyle \rho \,}$de una onda electromagnética es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia${\displaystyle r\,}$desde una fuente puntual ^{[ 1 ] : 26‑19} o:

${\displaystyle \rho \propto {\frac {1}{r^{2}}}~.}$

A distancias típicas de comunicación desde un transmisor, la antena transmisora ​​suele aproximarse a una fuente puntual. Duplicar la distancia entre un receptor y un transmisor implica 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 intensidades de los campos eléctrico y magnético. Por lo tanto, duplicar la distancia 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 terrestre es lo suficientemente delgada como para que las ondas de radio en ella 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 lo largo de la distancia.

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

Los efectos de reflexión del plano de tierra son un factor importante en la propagación ^de VHF en línea de visión. La interferencia entre el haz directo en línea de visión y el haz reflejado en el suelo a menudo conduce a una ley efectiva de cuarta potencia inversa ( 1 / distancia⁴ ) para la radiación limitada por el plano de tierra.

Las ondas de radio de baja frecuencia (entre 30 y 3000  kHz) con polarización vertical pueden viajar como ondas superficiales siguiendo el contorno de la Tierra; esto se denomina propagación por onda terrestre .

En este modo, la onda de radio se propaga interactuando con la superficie conductora de la Tierra. La onda se adhiere a la superficie y, por lo tanto, sigue la curvatura terrestre, lo que permite que las ondas terrestres viajen sobre montañas y más allá del horizonte. Las ondas terrestres se propagan con polarización vertical, por lo que se requieren antenas verticales ( monopolos ). Dado que el suelo no es un conductor eléctrico perfecto, las ondas terrestres se atenúan al seguir la superficie terrestre. La atenuación es proporcional a la frecuencia, por lo que las ondas terrestres son el principal modo de propagación en frecuencias bajas, en las bandas MF , LF y VLF . Las estaciones de radiodifusión utilizan ondas terrestres en las bandas MF y LF, así como para señales horarias y sistemas de radionavegación .

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

Las primeras comunicaciones radioeléctricas de larga distancia ( telegrafía inalámbrica ), antes de mediados de la década de 1920, utilizaban bajas frecuencias en las bandas de onda larga y dependían exclusivamente de la propagación por onda terrestre. Las frecuencias superiores a 3  MHz se consideraban inútiles y se asignaban a aficionados ( radioaficionados ). El descubrimiento, alrededor de 1920, del mecanismo de reflexión ionosférica u onda ionosférica hizo que las frecuencias de onda media y corta fueran útiles para la comunicación de larga distancia y se asignaron a usuarios comerciales y militares. ^{[ 9 ]}

Las condiciones de propagación de HF se pueden simular utilizando modelos de propagación de radio , como el Programa de Análisis de Cobertura de la Voz de América , y se pueden realizar mediciones en tiempo real utilizando transmisores chirp . Para los radioaficionados, el modo WSPR proporciona mapas con las condiciones de propagación en tiempo real entre una red de transmisores y receptores. ^{[ 10 ]} 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. ^{[ 11 ]}

La persona promedio puede percibir los efectos de los cambios en la propagación de las ondas de radio de diversas maneras.

En la radiodifusión AM , los drásticos cambios ionosféricos que ocurren durante la noche en la banda de onda media ^{[ 12 ]} impulsan un esquema de licencias de radiodifusión único en los Estados Unidos, con niveles de potencia de salida del transmisor y patrones de antena direccionales completamente diferentes para hacer frente a la propagación de la onda ionosférica durante la noche. Muy pocas estaciones tienen permiso para operar sin modificaciones durante las horas oscuras, generalmente solo aquellas en canales libres en América del Norte . ^{[ 13 ]} Muchas estaciones no tienen autorización para operar en absoluto fuera del horario diurno.

Para la radiodifusión FM (y las pocas estaciones de TV de banda baja que aún existen ), el clima es la causa principal de los cambios en la propagación VHF, junto con algunos cambios diurnos cuando el cielo está mayormente despejado . [ ^{14 ] Estos} cambios son más evidentes durante las inversiones térmicas, como en las últimas horas de la noche y las primeras de la mañana cuando está despejado, lo que permite que el suelo y el aire cercano se enfríen más rápidamente. Esto no solo causa rocío , escarcha o niebla , sino que también causa una ligera "resistencia" en la parte inferior de las ondas de radio, doblando las señales hacia abajo de manera que puedan seguir la curvatura de la Tierra sobre el horizonte radioeléctrico normal. El resultado suele ser que se escuchan varias estaciones de otro mercado de medios , generalmente uno vecino, pero a veces de cientos de kilómetros (millas) de distancia. Las tormentas de hielo también son resultado de las inversiones, pero estas normalmente causan una propagación omnidireccional más dispersa, lo que resulta principalmente en interferencias, a menudo entre estaciones de radio meteorológicas . A finales de la primavera y principios del verano, una combinación de otros factores atmosféricos puede provocar ocasionalmente desviaciones que canalizan señales de alta potencia a lugares situados a más de 1000  km (600 millas) de distancia.

Las señales no convencionales también se ven afectadas. Las señales de telefonía móvil se encuentran en la banda UHF, que abarca desde 700 hasta más de 2600  MHz, un rango que las hace aún más susceptibles a cambios en la propagación inducidos por las condiciones meteorológicas. En áreas urbanas (y en cierta medida suburbanas ) con alta densidad de población , esto se compensa parcialmente con el uso de celdas más pequeñas, que utilizan menor potencia radiada efectiva e inclinación del haz para reducir la interferencia y, por lo tanto, aumentar la reutilización de frecuencias y la capacidad de usuarios. Sin embargo, dado que esto no sería muy rentable en áreas más rurales , estas celdas son más grandes y, por lo tanto, tienen más probabilidades de causar interferencia a mayores distancias cuando las condiciones de propagación lo permiten.

Si bien esto suele ser transparente para el usuario gracias a la forma en que las redes celulares gestionan las transferencias de celda a celda , cuando se trata de señales transfronterizas , pueden producirse 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 Estados Unidos y México , y entre el este de Detroit y el oeste de Windsor, a lo largo de la frontera entre Estados Unidos y Canadá . Dado que las señales pueden viajar sin obstáculos sobre una masa de agua mucho mayor que el río Detroit , y que las bajas temperaturas del agua también provocan inversiones térmicas en la superficie del aire, este "roaming periférico" a veces se produce a través de los Grandes Lagos y entre islas del Caribe . Las señales pueden saltar de la República Dominicana a una ladera de montaña en Puerto Rico y viceversa, o entre las Islas Vírgenes de Estados Unidos y las Islas Vírgenes Británicas , entre otros casos. Si bien el roaming transfronterizo no deseado suele eliminarse automáticamente mediante los sistemas de facturación de las compañías de telefonía móvil , el roaming entre islas no suele eliminarse.

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 caracterizar la propagación de ondas de radio en función de la frecuencia , la distancia y otras condiciones. Generalmente, se desarrolla un único modelo para predecir el comportamiento de la propagación en 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 .

El inventor de la radiocomunicación, Guglielmo Marconi , formuló antes de 1900 la primera regla empírica rudimentaria de propagación de radio: la distancia máxima de transmisión variaba con el cuadrado de la altura de la antena.

Dado que la pérdida de trayectoria que se produce a lo largo de cualquier enlace de radio constituye el factor dominante para la caracterización de la propagación del enlace, los modelos de propagación de radio suelen centrarse en la realización de la pérdida de trayectoria, con la tarea auxiliar de predecir el área de cobertura de un transmisor o modelar la distribución de señales en diferentes regiones.

Debido a que cada enlace de telecomunicaciones debe enfrentarse a diferentes terrenos, trayectorias, obstáculos, condiciones atmosféricas y otros fenómenos, resulta imposible formular la pérdida exacta para todos los sistemas de telecomunicaciones en una sola ecuación matemática. Por consiguiente, existen diferentes modelos para distintos tipos de enlaces de radio en diferentes condiciones. Estos modelos se basan en el cálculo de la pérdida de trayectoria media para un enlace bajo una determinada probabilidad de que se produzcan las condiciones consideradas.

Los modelos de propagación de radio son de naturaleza empírica, lo que significa que se desarrollan a partir de grandes conjuntos de datos recopilados para el escenario específico. Para cualquier modelo, el conjunto de datos debe ser lo suficientemente grande como para abarcar la probabilidad (o el alcance) suficiente de todas las situaciones que pueden ocurrir en ese escenario específico. Como todos los modelos empíricos, los modelos de propagación de radio no indican el comportamiento exacto de un enlace, sino que predicen el comportamiento más probable que este podría presentar bajo las condiciones especificadas.

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

Modelos de atenuación en el espacio libre

• Pérdida de trayectoria en el espacio libre
• Intensidad del campo dipolar en el espacio libre
• ecuación de transmisión de Friis

Modelos para la atenuación en exteriores

• Modelos de terreno
  • Modelo de terreno de la UIT
  • Modelo Egli
  • Modelo de terreno irregular de Longley-Rice (ITM)
  • Modelo de reflexión terrestre de dos rayos
• Modelos de ciudades
  • modelo Okumura
  • Modelo Hata
  • COSTO Modelo Hata

Modelos de atenuación en interiores

• Modelo de la UIT para la atenuación en interiores
• Modelo de pérdida de trayectoria de distancia logarítmica

• Guía de los métodos de predicción de propagación de ondas radioeléctricas de la UIT-R. Descripción general de todos los modelos de propagación desarrollados por el Grupo de Estudio 3 de la UIT-R.
• Widget de energía solar basado en datos de la NOAA. También disponible como plugin para WordPress.
• Página de propagación de la ARRL. La página de la Liga Americana de Radioaficionados (ARRL ) sobre la propagación de radio.
• Servicio de predicción ionosférica y de radiofrecuencia - Australia
• Centro de Acción Meteorológica Espacial de la NASA
• Herramientas de propagación en línea, datos solares de alta frecuencia y tutoriales de propagación de alta frecuencia.
• Propagación ionosférica de HF ( varias páginas)