Fundamentos Esenciales de Ondas Electromagnéticas y Radiocomunicación

Conceptos Fundamentales de Ondas Electromagnéticas

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es una constante fundamental, denotada por C, y se calcula como: C = 1/√(μ₀ε₀), donde μ₀ es la permeabilidad magnética del vacío y ε₀ es la permitividad eléctrica del vacío.

Las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) perpendiculares entre sí. Son ondas transversales, siempre perpendiculares a la dirección de propagación.

Características de las Ondas

• Polarización: Orientación del campo eléctrico respecto a una superficie. La polarización es constante con la propagación de la onda (polarización lineal).

  • Polarización vertical: El campo eléctrico se propaga verticalmente a la superficie terrestre.
  • Polarización horizontal: El campo eléctrico es paralelo a la superficie de propagación.
  • Polarización circular: El vector de polarización gira 360° conforme la onda recorre una longitud de onda en el espacio, manteniendo una intensidad de campo constante.

• Rayo: Dirección relativa de propagación; línea que sigue la trayectoria de la onda electromagnética.

• Frente de onda: Superficie de ondas electromagnéticas de fase constante.

• Fuente isotrópica: Fuente puntual desde la cual se propagan todos los rayos, radiando uniformemente en todas las direcciones.

• Densidad de potencia: Cantidad de energía que atraviesa una superficie determinada en un instante de tiempo. Se expresa como: dpotencia = E x H [W/m² = V/m x A/m].

• Impedancia característica del espacio libre: Tiene un valor aproximado de 377 ohmios (Z_medio = E/H).

• Frente de onda esférico: A una determinada distancia, el frente de onda forma una esfera en la cual todos los puntos tienen la misma densidad de potencia. Se calcula como: dpotencia = P_radiada / (4πR²). La relación de densidades de potencia entre dos puntos es: (dpotencia_A / dpotencia_B) = (R_B / R_A)².

• Atenuación: Reducción de la intensidad de la señal, expresada comúnmente en decibelios: Atenuación [dB] = 10 log₁₀ (dpotencia_A / dpotencia_B).

Fenómenos de Propagación

Los principales fenómenos que afectan la propagación de las ondas electromagnéticas incluyen la Reflexión, Refracción, Difracción e Interferencias.

Propagación de las Ondas Electromagnéticas

Ondas Terrestres

Viajan por la superficie terrestre. Requieren polarización vertical para evitar cortocircuitos con el suelo. La atmósfera permite que el frente de onda se propague más allá del horizonte. La propagación es generalmente mejor sobre el mar debido a su alta conductividad.

Ondas Espaciales

Son una superposición de ondas directas y reflejadas. Las ondas directas son las que viajan de un punto a otro sin interrupción. El horizonte de radio es mayor que el horizonte óptico. La intensidad de campo depende de la distancia entre el emisor y el receptor.

Ondas Ionosféricas

Se radian formando un ángulo relativamente grande respecto al horizonte. En la atmósfera superior, son reflejadas o refractadas hacia la superficie terrestre por la ionosfera, permitiendo la comunicación a larga distancia.

Parámetros Clave en Propagación Ionosférica

• Frecuencia Crítica (f_c): Máxima frecuencia de una onda celeste que puede propagarse directamente hacia arriba y ser reflejada por la ionosfera de vuelta a la Tierra.

• Ángulo Crítico: Ángulo a partir del cual la reflexión ionosférica no se produce.

• Altura Virtual: Altura aparente donde parece reflejarse la onda en la ionosfera.

• Máxima Frecuencia Utilizable (MUF): Mayor frecuencia utilizable para la propagación de ondas entre dos puntos cualesquiera. Se calcula como: MUF = f_c / cos(θ), donde θ es el ángulo de incidencia.

Servicios de Radiocomunicación

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) clasifica los servicios de radiocomunicación en diversas categorías, incluyendo:

• Fijo
• Fijo por satélite
• Móvil
• Móvil aeronáutico
• Radiodifusión
• Radiodifusión por satélite
• Radionavegación
• Radionavegación por satélite
• Radiolocalización
• Aficionados
• Exploración de la Tierra por satélite
• Operaciones especiales

Diagrama de Radiación de Antenas

El diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación de una antena en función de las distintas direcciones del espacio.

Tipos de Diagramas de Radiación

• Diagrama de Radiación Absoluto: Se realiza en términos de intensidad de campo o densidad de potencia.

• Diagrama de Radiación Relativo: Muestra el valor de la intensidad de campo o potencia respecto de un valor de referencia. Se suelen representar en el Plano E (campo eléctrico) y el Plano H (campo magnético).

Componentes y Parámetros del Diagrama de Radiación

• Lóbulo Principal: Zona de radiación máxima de la antena.

• Lóbulos Laterales: Zonas de radiación que rodean al lóbulo principal, generalmente de menor intensidad.

• Lóbulo Secundario: El lóbulo lateral de mayor amplitud.

• Lóbulo Posterior: Se forma a 180° del lóbulo principal.

• Ancho de Haz a Media Potencia (HPBW - Half-Power Beamwidth): Separación angular entre las direcciones donde la potencia de radiación es la mitad de la potencia máxima.

• Ancho de Haz entre Ceros (FNBW - First Null Beamwidth): Separación angular entre las direcciones donde el haz del lóbulo principal es cero.

• Relación Delante-Atrás (F/B Ratio): Cociente entre la potencia del lóbulo principal y la del lóbulo posterior.

• Relación Lóbulo Principal-Secundario Adyacente: Cociente entre la potencia del lóbulo principal y la del lóbulo secundario adyacente.

Ganancia y Adaptación de Antenas

• Ganancia Directiva de una Antena: Relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y a una distancia dada, y la densidad de potencia en ese mismo punto que radiaría una antena de referencia (isotrópica o dipolo).

• Directividad: Ganancia directiva máxima de una antena en la dirección de máxima intensidad del lóbulo principal.

• Adaptación de Impedancias: Crucial para la máxima transferencia de potencia.

  • Coeficiente de Reflexión (ρ): ρ = |Z_e - Z_o| / |Z_e + Z_o|
  • Relación de Onda Estacionaria (ROE o VSWR): ROE = (1 + |ρ|) / (1 - |ρ|)