Absorción ionosférica de señales de radio

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Las señales se absorben o atenúan cuando se propagan utilizando la ionosfera; hay varias formas en que se atenúan.

La absorción y atenuación de las señales de radio por parte de la ionosfera es obviamente importante. Comprender las formas en que se atenúan las señales permite hacer un mejor uso de la propagación ionosférica con fines de radiocomunicaciones.

Es posible utilizar las mejores frecuencias, los mejores momentos del día e incluso usar antenas con el ángulo de radiación requerido, etc., para minimizar las pérdidas y, por lo tanto, permitir que se realicen las mejores comunicaciones por radio.

El comportamiento de la ionosfera es una de las áreas clave a tener en cuenta al planificar una red o sistema de radiocomunicaciones, o al predecir las condiciones de propagación de la IC.

Formas en que las señales son atenuadas por la ionosfera

Hay varias razones para que las señales se atenúen cuando están sujetas a propagación por parte de la ionosfera.

Aunque no siempre es posible evitar los problemas, entender cuáles son ayuda a poder tomar medidas para tener la mejor oportunidad de establecer comunicaciones por radio con las mejores intensidades de señal.

Algunas de las principales razones por las que se atenúan las señales incluyen:

  • distancia
  • Atenuación por la ionosfera, principalmente la región D
  • Reflexión por superficies en el suelo que tienen poca reflectividad – para múltiples saltos
  • Polarización
  • Otras pérdidas menores

Hay muchas formas diferentes de pérdida cuando se utiliza la propagación ionosférica. Es necesario evaluarlos todos al seleccionar una frecuencia, hora del día, etc. para planificar un enlace de comunicaciones por radio, un horario de radiodifusión, etc.

Distancia del camino

El nivel de una señal disminuirá a medida que aumente la distancia entre el receptor y el transmisor.

Cuando se viaja en espacio libre, es posible calcularlo con relativa precisión. Sin embargo, para la propagación ionosférica esto no siempre es cierto, pero es una buena base para iniciar los cálculos y luego añadir otras pérdidas y variables según sea necesario.

Propagación de señales de espacio libre que muestra la reducción de la señal con la distancia
Las señales reducen la intensidad a medida que viajan desde el transmisor

La velocidad a la que cae la intensidad de la señal es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia.

Nivel de señal=Kd2Nivel de señal=KD2

Donde:
k = constante
d = distancia desde el transmisor

Como ejemplo sencillo, esto significa que el nivel de señal de una transmisión de radio será de una cuarta parte de la fuerza a una distancia de 2 km en comparación con el de una distancia de 1 km.

Cuando una señal de radio está bajo la influencia de otros factores, la fórmula básica puede modificarse para tener esto en cuenta.

Es importante recordar que, en algunas circunstancias, pueden existir túneles de propagación que pueden actuar como una forma de guía de onda y pueden dar lugar a valores exponentes de pérdida de trayectoria de menos de 2.

Si bien hay una variabilidad considerable en la pérdida real, siempre aumentará con la distancia.

Absorción/atenuación ionosférica

La ionosfera generalmente se considera como un área donde las ondas de radio en las bandas de ondas cortas se refractan o reflejan de vuelta a la Tierra. Sin embargo, también se descubre que las señales se reducen en fuerza o se atenúan a medida que pasan por esta área. De hecho, la absorción ionosfsférica puede ser uno de los principales contribuyentes a la reducción de la fuerza de las señales.

La mayor parte de la atenuación se produce en la región D. Hay algunos en las regiones E y F, pero el nivel es mucho menor que el experimentado en la región D y generalmente se puede ignorar.

Cuando las señales entran en la región D, transfieren energía a los electrones y los ponen en movimiento, vibrando en línea con la señal de radio. A medida que los electrones vibran de esta manera, pueden chocar con otras moléculas, iones o electrones. Cada vez que se produce una colisión, se disipa una pequeña cantidad de energía, y esto se manifiesta como una pérdida de la fuerza de la señal.

La cantidad de energía que se pierde depende principalmente del número de colisiones que tengan lugar. A su vez, esto también depende de una serie de otros factores. El primero es el número de otras moléculas, electrones e iones que están presentes. En la región D, la densidad del aire es relativamente alta, por lo que hay un gran número de otras moléculas alrededor y el número de colisiones es alto.

El segundo factor es la frecuencia de la señal. A medida que disminuye la frecuencia, el desplazamiento de las vibraciones aumenta, al igual que el número de colisiones. De hecho, se encuentra que la cantidad de absorción ionosfsférica que se produce varía inversamente como el cuadrado de la frecuencia. En otras palabras, si la frecuencia se duplica, la atenuación caerá en un factor de cuatro.

Esta es una de las principales razones por las que cuando una serie de bandas o frecuencias admiten la propagación de IC entre dos estaciones de radio, la más alta dará los mejores resultados. También se encuentra que el nivel de atenuación es tan alto para las señales en la banda de emisión de radio de onda media que durante el día en que la región D está presente, no hay señales a través de ella, y las señales solo se propagan a través de la onda terrestre. Por la noche, cuando la región D desaparece, se escuchan señales desde mucho más lejos.

Efecto del ángulo de radiación

El ángulo de radiación de una señal de la antena también puede tener un gran impacto en la atenuación de la señal.

El ángulo de radiación es el ángulo entre la trayectoria de la señal y el suelo. Un ángulo bajo de radiación significa que la señal viaja hacia el horizonte, y uno más alto significa que viaja hacia arriba.

Hay algunas ventajas en tener un ángulo de radiación bajo en términos de la facilidad de lograr distancias más largas. La geometría dicta que un ángulo bajo de radiación de la antena permitirá alcanzar mayores distancias.

La desventaja de tener un ángulo bajo de radiación desde el punto de vista de la pérdida de señal es que la trayectoria de la señal estará dentro de la región D para una mayor distancia y, por lo tanto, la pérdida será mayor cuando exista la región D.

Los ángulos bajos de radiación tienen sus ventajas y desventajas, pero en general las comunicaciones por radio a mayores distancias se logran utilizando un ángulo de radiación más bajo.

Es interesante señalar que las emisoras que utilizan las bandas de HF adaptan la antena para dar el ángulo de radiación requerido y el rumbo del haz para apuntar al área requerida. Las pérdidas de la región D formarán parte de los cálculos y optimizaciones utilizados, equilibrando las pérdidas de la región D con la hora del día, el área principal de la ionosfera para las reflexiones y similares.

Otras aplicaciones de radiocomunicaciones a menudo quieren las distancias máximas y, por lo tanto, a menudo se utilizan antenas que proporcionan un ángulo bajo de radiación. Dicho esto, las situaciones en las que se utilizan ondas de cielo de incidencia casi vertical para proporcionar una cobertura relativamente local a menudo utilizarán antenas dipolo que son relativamente debidas para dar un ángulo de radiación muy alto. Aquí las pérdidas de la región D serán inferiores a las de muchas otras aplicaciones.

Pérdida de los reflejos de la Tierra

Cabe esperar que haya una pérdida cuando las señales de la ionosfera se reflejan de nuevo hacia arriba cuando una señal sufre múltiples reflexiones.

Para cada reflexión de la Tierra se introduce un cierto grado de pérdida, pero la cantidad real de pérdida dependerá de una variedad de factores.

La Tierra es un reflector imperfecto, pero diferentes áreas reflejarán señales con diferentes niveles de pérdida: por lo general, las áreas que son buenos conductores de corriente eléctrica son mejores, al igual que las que son más planas.

El agua de mar o las zonas de humedales planos son las mejores. Los desiertos arenosos secos son muy pobres, y las regiones montañosas donde el terreno es muy accidentado tenderán a dispersar la señal en muchas direcciones tampoco serán tan buenas.

Esto significa que es probable que las señales que se reflejan en los océanos Atlántico o Pacífico, etc., sean mucho más fuertes que las reflejadas por una región desértica como el Sahara, etc.

Pérdida de polarización

Hay una cierta cantidad de pérdida o atenuación causada por la polarización cambiante de las señales devueltas desde la ionosfera. Esto se debe a que se descubre que la polarización de la señal puede ser cambiada por la ionosfera.

Las señales de radio transmitidas que entran en la ionosfera desde las antenas terrestres normalmente están polarizadas linealmente. Sin embargo, la acción de la ionosfera con el campo magnético de la Tierra da como resultado que la señal que emerge esté polarizada elípticamente, en lugar de polarizarse linealmente y en la misma polarización que la señal transmisora.

A menudo, la pérdida de polarización se agrupa con otras formas de pérdidas de nivel relativamente bajo. El grado de esta pérdida varía según una serie de factores, incluida la latitud geomagnética, la estación, la hora del día y la longitud de la trayectoria de la señal. Por lo general, esta pérdida puede ser de alrededor de 9 dB, pero puede ser más o menos.

Aplicación de las pérdidas

Es necesario poder utilizar una comprensión de las pérdidas y atenuaciones incurridas al utilizar la propagación ionosférica para los enlaces de comunicaciones por radio para mejorar el rendimiento.

Aunque muchas de las pérdidas se fijan y hay muchas veces en las que no se puede hacer nada, hay algunos aspectos de la operación que se pueden cambiar. Antenas, frecuencias, hora del día y similares.

A medida que una señal pasa a través de la región D cada vez que se refleja, una de las principales causas de pérdida depende del número de reflejos. Esto puede ser muy importante porque la señal tiene que pasar a través de la capa D dos veces cada vez que se refleja y con más de un salto, la señal pasa a través de la región D varias veces.

Como ya se ha mencionado, la atenuación se reduce con la frecuencia. Aparte del hecho de que las rutas de alta frecuencia tienen más probabilidades de usar la capa F2 y tener menos reflejos, la ruta de alta frecuencia también sufrirá menos pérdida de la capa D. Esto significará que una señal en 30 MHz, por ejemplo, será más fuerte que una en 15 MHz, suponiendo que la propagación pueda ser compatible con ambas frecuencias.

También debe recordarse que la longitud de la trayectoria para una señal de reflexión múltiple será mayor que la gran distancia de círculo alrededor del globo, especialmente si se utilizan ángulos altos de radiación. Esto en sí mismo aumentará la pérdida de señal porque la pérdida es proporcional a la longitud de la ruta.

 

La pérdida de señal es una parte integral del funcionamiento en las bandas de HF mediante la propagación ionosférica. Comprender cuáles son las pérdidas y qué causan la absorción, etc., ayuda a proporcionar una mejor comprensión de lo que se puede esperar. Dicho esto, a veces se pueden tomar medidas para ayudar a reducir las pérdidas y mejorar los niveles de intensidad de la señal para el sistema de radiocomunicaciones.

 

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