El problema fundamental a resolver en un sistema de telecomunicaciones es obtener, a través de un diseño adecuado, que en el receptor se logre una relación señal-ruido mínima que garantice su buen funcionamiento. Los servicios de radiocomunicaciones por radio emplean ondas electromagnéticas radiadas como canal de la transmisión de la información entre el transmisor y el receptor. En la planificación de un sistema de telecomunicaciones por radio resulta indispensable conocer los factores que pueden alterar la propagación electromagnética, su magnitud y su influencia en las distintas bandas de frecuencias.
La pérdida básica de transmisión en el espacio libre [34] se expresa como:
𝐿𝑏𝑓 =𝑃𝑅 𝑃𝑇 = ( 4𝜋𝑑) 2 (5.1) 𝐿𝑏𝑓[dB] = 𝑃𝑅[dBm] − 𝑃𝑇[dBm] = −32,4 − 20log𝑓 − 20log𝑑 (5.2) donde: Lbf = pérdidas básicas PR = potencia recibida PT = potencia transmitida f = frecuencia (MHz)
d = distancia entre las dos antenas (Km)
En la propagación de una onda electromagnética en el espacio libre, la relación entre la potencia recibida y la transmitida (pérdida de transmisión) por dos antenas separadas una distancia d es:
𝑃𝑅 𝑃𝑇 = 1 4𝜋𝑟2𝐷𝑇𝐴𝑒𝑓𝑅= ( 4𝜋𝑟) 2 𝐷𝑇𝐷𝑅= (1 𝑟) 2 𝐴𝑒𝑓𝑇𝐴𝑒𝑓𝑅 (5.3) donde: = longitud de onda
d = distancia entre las dos antenas DT = directividad antena transmisora
DR = directividad antena receptora
AefT = área efectiva antena transmisora
AefR = área efectiva antena receptora
La ecuación no explicita una relación clara entre potencia transmitida y recibida en función de la frecuencia. Las dimensiones físicas de la antena y sus parámetros eléctricos influyen sobre el comportamiento de la antena en función a la frecuencia. A frecuencias bajas, por ejemplo en las bandas MF, LF y VLF, las antenas empleadas son de dimensiones pequeñas en comparación con la longitud de onda . En este caso las antenas presentan generalmente una directividad D constante con la frecuencia. Del análisis de la ecuación se desprende que la pérdida de transmisión aumenta con la frecuencia [35].
A frecuencias más altas, en las bandas de UHF y SHF, las antenas presentan dimensiones grandes respecto a la longitud de onda . En este caso (i.e. reflectores parabólicos) el área efectiva de la antena Aef es proporcional al área física de la misma e independiente de la frecuencia; por lo tanto la pérdida de transmisión disminuye al aumentar la frecuencia.
Como regla general puede afirmarse que para antenas de dimensiones fijas disminuir la frecuencia en bandas de frecuencias bajas y aumentarla en bandas de frecuencias elevadas reduce la pérdida de transmisión.
La propagación en el espacio libre responde a un modelo ideal análogo a las condiciones de propagación en el vacío. En el entorno terrestre muy pocas situaciones se ajustan a este modelo.
En enlaces punto a zona, es decir cuando un solo transmisor que da servicio a varios receptores distribuidos al azar en un área (radiodifusión, servicio móvil o portable), se calcula el campo eléctrico en un punto situado a una cierta distancia del transmisor mediante la relación siguiente:
𝑒 =√30𝑝
𝑑 (5.4)
donde:
e = intensidad de campo eficaz (V/m)
p = potencia isótropa radiada equivalente (p.i.r.e.) del transmisor en la dirección del
punto considerado (W)
d = distancia del transmisor al punto considerado (m).
Respecto a la potencia isotrópica irradiada (p), en el caso que se trate de antenas emplazadas en la superficie del suelo (típicamente diseñadas para frecuencias bajas) con polarización vertical, sólo se considera en general la radiación en el semiespacio superior. Si consideramos que el suelo es plano y perfectamente conductor, la densidad de flujo de potencia para una determinada potencia radiada se duplica, en comparación con una antena en el espacio libre. Alternativamente, al considerar potencias de campo, la potencia de campo se incrementa de manera similar en 3 dB. Es importante considerar esto para determinar la potencia radiada [36] [37].
Las características eléctricas de la tierra y su orografía son determinantes en la manera en que se propaga una onda electromagnética. La onda electromagnética al incidir sobre la tierra produce el fenómeno de reflexión. La onda directa se combina con la reflejada dando lugar a una onda de espacio. En función a la relación de fases de la onda directa y reflejada la onda de espacio puede ser constructiva o destructiva, originando importantes diferencias en la magnitud de la potencia recibida según sea el caso.
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Figura 5.1.- Efecto de la Tierra en la propagación [35].
En la figura 5.1 podemos observar en a) una onda de espacio, en b) el fenómeno de difracción y en c) una onda de superficie
Aunque la difracción se produce únicamente por la superficie del suelo u otros obstáculos, para evaluar los parámetros geométricos situados en el plano vertical del trayecto (ángulo de difracción, radio de curvatura, altura del obstáculo) ha de tenerse en cuenta la refracción media de la atmósfera en el trayecto. La difracción de las ondas radioeléctricas sobre la superficie de la Tierra se ve afectada por las irregularidades del terreno.
La transición de la luz a la sombra define la región de penumbra. Esta transición se produce a lo largo de la franja estrecha (anchura de penumbra) en el límite de la sombra geométrica. En la Figura 5.2 se ilustra la anchura de penumbra (w) en el caso de un transmisor ubicado a una altura h sobre la superficie lisa de la Tierra esférica, que viene dada por la fórmula:
𝑤 = [𝑎𝑒2 𝜋 ] 1 3 ⁄ 𝑚 (5.5) dónde: = longitud de onda (m)
𝑎𝑒= radio ficticio de la Tierra (m)
Figura 5.2.- Anchura de penumbra (UIT-R P.526-14) [29]
La zona de difracción de un transmisor se extiende desde la distancia con visibilidad directa en la que el trayecto libre de obstáculos es igual al 60% del radio de la primera zona de Fresnel, (R1), hasta una distancia más allá del horizonte del transmisor en la que predomina el mecanismo de dispersión troposférica.
Un obstáculo puede considerarse aislado si no existe interacción entre dicho obstáculo y el terreno circundante. Dicho de otra manera, la atenuación del trayecto se debe únicamente al obstáculo y el terreno que lo rodea no contribuye a dicha atenuación.