viernes, 15 de octubre de 2010

Propagación de las ondas de radio

Generalidades

La razón
principal por la que empleamos ondas de radio: comunicarnos, escuchar música,
ver televisión o transportar datos, es que no precisan alambres o dispositivos
especiales para una vez emitidas viajar hasta su destino. En muchas ocasiones
emplear otros métodos puede ser económica o técnicamente imposible o poco
viables, como por ejemplo la comunicación con dispositivos móviles terrestres,
marinos o aeroespaciales. Por esa razón una de las propiedades más importantes
de las ondas de radio es el mecanismo con que se trasladan. No es que no
requieran de cables o tuberías lo que las hace tan útiles, sino el que no
precisen de absolutamente nada para trasladarse, ¡ni siquiera un "éter"!. Esto
no implica que puedan moverse o propagarse a través de cualquier sustancia (en
general no pueden hacerlo dentro de los conductores y sufren importe atenuación
dentro de los sólidos) o que puedan llegar hasta donde deseemos; tienen
limitaciones y leyes que gobiernan su comportamiento, sin embargo las
limitaciones son incomparablemente pequeñas respecto de sus posibilidades.


El conjunto de fenómenos por el cual las ondas de radio pueden viajar de
un punto al otro se denomina Propagación. La onda puede atravesar diferentes
medios (sustancias) o encontrarse con obstáculos y como resultado de ello sufrir
importantes cambios de dirección e intensidad en el proceso. La propagación de
las ondas dependerá del ambiente por el que viajan, pero también dependerá mucho
de su longitud de onda. Los mecanismos de propagación de una onda en el espectro
de las ondas medias pueden ser tan diferentes de los que se dan en las ondas
ultracortas, que requieran cada una un estudio especial.

Las ondas
utilizadas por los receptores comunes de "onda larga" (técnicamente se denominan
"ondas medias", aprovechan una propiedad de
las señales de esas longitudes de onda que les permite propagarse
superficialmente siguiendo la curvatura de la tierra. Estas señales se denominan
"ondas de superficie". Con ondas más cortas este mecanismo comienza a ser poco
eficaz. Felizmente estas ondas cortas consiguen propagarse muy bien aprovechando
la propiedad de las capas superiores de nuestra atmósfera para reflejar ciertas
longitudes de onda. Este mecanismo hace posible comunicaciones
intercontinentales.

Las comunicaciones usuales de la mayoría de los
aficionados se realizan en frecuencias llamadas elevadas y muy elevadas (HF y
VHF) (las frecuencias de HF son las de la familiar "onda corta". La propagación en FME (VHF)
terrestre (donde se encuentran las emisiones de broadcasting en FM y TV
usuales), es casi directa .
Hay otros mecanismos por los que una señal puede
llegar aun destino, por ejemplo, reflejándose en objetos existentes en el
entorno tales como edificios, montañas, etc. También fenómenos atmosféricos ó
cuasi ópticos especiales que dan lugar a mecanismos muy interesantes.
En VHF
y UHF, suele ser importante que las antenas se encuentren elevadas sobre el
terreno para lograr alguna distancia pues estas ondas se atenúan rápidamente mas
allá del horizonte, no obstante para alturas importantes en términos de longitud
de onda se producen fenómenos que pueden perjudican mucho un enlace (ver "Zonas
de Fresnel"

En las frecuencias
elevadas (FE - HF), los mecanismos de propagación son variados, a veces la señal
llegará a destino por un camino idéntico al que acabamos de ver para las VHF
(especialmente en la parte alta del espectro de HF), otras veces mediante las
llamadas ondas terrestres o superficiales (sobre todo en las frecuencias más
bajas), pero sin duda el modo más importante en la historia de la radio y para
la nuestra en particular se debe a que las ondas pueden reflejarse en regiones
que se encuentran a gran altura en la atmósfera, permitiendo alcanzar grandes
distancias.
Por este medio, una señal puede viajar por todo globo terrestre
reflejándose repetidamente entre alguna de esas regiones y la superficie
terrestre. Esas capas reflectoras reciben el nombre de ionosfera porque en ella
existen cargas eléctricas llamadas iones responsables del proceso de reflexión.


Las condiciones físicas y eléctricas de la ionosfera que posibilitan la
comunicaciones en FE (HF) a grandes distancias están estrechamente relacionadas
con las emisiones de energía del Sol, especialmente la radiación ultravioleta.
La variable más importante en el proceso es la misma rotación de la tierra que
hace que la región ionosférica accesible a las estaciones que intentan enlazar
están expuestas sucesivamente a los rayos solares y a la sombra de la tierra a
medida que ella gira.
El ángulo de incidencia de los rayos solares en las
distintas latitudes y estaciones del año influye en la intensidad de la
ionización de la capas atmosféricas reflectoras. Algunos procesos físicos del
Sol también llegan a producir efectos tan dramáticos como la anulación total del
mismo fenómeno de la propagación ionosférica. Un evento beneficioso para nuestro
fin lo constituyen la producción de las llamadas "manchas solares" porque,
aunque son muy brillantes, se observan como regiones oscuras por contraste con
sus zonas adyacentes. Las manchas producen un aumento en la intensidad de la
energía que produce la ionosfera pero, puesto que el sol también está en
rotación la energía proyectada por las manchas no alcanza la Tierra en forma
continua. También la cantidad de manchas varía con el tiempo en forma cíclica
con un período de aproximadamente de once años.

El hecho de que las
señales se reflejen en esas capas hace prever que los ángulos con que las ondas
llegan a la capa reflectora y adonde serán reflejadas serán de gran importancia
de forma semejante al movimiento de las bolas en la mesa de billar. Esto hace
que se produzcan zonas a las que la señal no pueda alcanzar porque la reflexión
la ha hecho llegar demasiado cerca o demasiado lejos de esos lugares.

Usualmente las ondas arribarán al receptor por varios caminos
simultáneamente dando lugar a señales cuya intensidad se refuerza o desvanece
más o menos rápidamente con el tiempo (desde fracciones de segundo hasta varios
minutos), esto, que sucede permanentemente, se conoce como desvanecimiento
(fading).
El mismo fenómeno no solo hace que la señal varíe en intensidad
sino que puede producir una distorsión capaz de hacer ininteligible la
comunicación.

Conocer esos mecanismos facilita al aficionado predecir
aproximadamente las mejores condiciones y horarios para realizar un determinado
contacto, hoy existen auxiliares informáticos que son de gran ayuda, aunque la
imprevisibilidad, lejos de ser una molestia otorga al aficionado entusiasta un
estimulo más para su actividad.


La
atmósfera


En el vacío las ondas de radio se mueven
relativamente libres de influencias; en general un frente de onda lo hará en
línea recta sin sufrir otra alteración que la disminución de su intensidad con
la distancia de la fuente. Las estaciones de radio terrestres están sumergidas
en un mar de gases donde hay mucha actividad de distinto tipo que varía con la
geografía, la altura, la presión, la temperatura, la carga eléctrica, etc. Todos
estos factores perturban el movimiento de las ondas de radio modificando su
intensidad, dirección, polarización y su integridad. Quien se adentre en el
conocimiento de las distintas formas en que se propagan las ondas de radio, de
inmediato advertirá que la atmósfera juega un rol preponderante; no es superfluo
imaginar los efectos que podría tener la atmósfera de Venus o Júpiter sobre las
ondas radiadas por una sonda de investigación para advertir la importancia de
este medio en el proceso.

Formas de
propagación


No hay una sola manera en que las ondas alcanzan
su destino una vez que abandonan su fuente; cómo lo hagan dependerá
fundamentalmente de la frecuencia y del medio por el cual deben propagarse. Por
ejemplo: una onda de radar puede hacerlo en línea recta hasta alcanzar su
objetivo, mientras que una onda de una emisora de onda corta puede recorrer un
camino más complicado reflejándose reiteradamente entre la tierra y las capas
más altas de la atmósfera. Los resultados de un enlace depende, de la potencia
del trasmisor, de la sensibilidad del receptor, del tipo de trasmisión, de la
antena, del ambiente en el que está instalada y del modo de propagación de las
ondas. Si el medio en que se propagan fuera uniforme las ondas se moverían en
línea recta, pero las diferencias de características del medio que ellas
encontrarán en su viaje (sólidos, líquidos, gases, vacío, conductores, iones,
etc.) determinan su comportamiento real (reflexiones, refracciones,
difracciones, atenuaciones).

Nota: En la literatura no hay coincidencia
total en los nombres asignados a los distintos caminos que puede seguir la señal
y ello produce cierta confusión, aquí trataremos de hacer las aclaraciones
necesarias para que los términos empleados puedan compatibilizarse con los
utilizados por los distintos autores.

Los modos de propagación más comunes son:

Propagación por onda
directa (direct wave):


La señal va del trasmisor al receptor por un
camino directo sin obstrucciones ni reflexiones de importancia. Es el tipo de
propagación que en general encontramos en una señal de VHF/UHF/SHF con una
comunicación con un satélite artificial, un radar dirigido hacia un objeto en el
cielo, satélites entre si, comunicación con naves espaciales o con otros objetos
celestes naturales sobre los cuales se hayan asentado equipos de radio.
Es
un término a veces mal usado, cuando se lo aplica a comunicaciones que se
producen entre estaciones de HF/VHF/UHF que están dentro del alcance visual, con
antenas normalmente elevadas sobre la superficie de la tierra; en estos casos la
propagación de dice que es por "onda espacial", en ella están presentes una onda
directa y una reflejada en tierra (ver figura debajo)




Esta antena podría estar comunicando por "onda directa"


Propagación por onda superficial o terrestre (surface wave - ground
wave)*


La onda de superficie es una que se mantiene adyacente a la
superficie de la tierra siguiendo su curvatura por un proceso de difracción.
Tendrá polarización vertical a partir de una corta distancia del trasmisor pues
cualquier componente del campo eléctrico horizontal es rápidamente absorbida por
la tierra (que actúa como un cortocircuito, para é). Para aprovechar de este
tipo de propagación convendrá emplear antenas de polarización vertical.


Es la forma habitual por la cual se reciben las señales de las emisoras
de broadcasting de onda media (550 a 1750 KHz) durante las horas del día.
También se denomina "propagación por onda terrestre". Este tipo de propagación
es especialmente efectivo en el mar tanto en frecuencias medias (MF) como en
frecuencias elevadas (HF). El efecto se aprovecha mejor cuando las antenas
emiten con ángulos bajos de radiación. Antenas de cuarto o media onda montadas a
nivel del suelo son excelentes para este cometido. Ellas permiten lograr
comunicados en las frecuencias más bajas (por ejemplo 3,5 MHz) cuando los
corresponsales quedan en "zona de salto" (skip) (mayormente durante la noche) o
no pueden ser alcanzados durante el día por la absorción de la capa D. A veces
se emplea mal este término para los casos de propagación por onda espacial.


* A veces se utiliza el término "onda terrestre" (ground wave) para
designar también a las señales que no utilizan la ionosfera para propagarse
entre dos estaciones con sus antenas cercanas a la superficie terrestre, este
tratamiento suele encontrarse en los manuales de la ARRL incluyendo en esta
designación tanto a la onda de superficie (surface wave) como a la onda espacial
(space wave).

Propagación por ondas reflejadas en objetos
materiales.


Este tipo de propagación es típico de las frecuencia más
elevadas. Es responsable de muchos fenómenos que advertimos en las bandas de VHF
y superiores. Las señales se reflejan en superficies que pueden considerarse
"lisas" para la longitud de onda considerada pudiendo alcanzar lugares que
podrían estar ocultos para las señales directas. En microondas suele utilizarse
esta posibilidad artificialmente estableciendo repetidores pasivos en lugares
elevados (cerros, montañas, edificios).

Propagación por difracción en bordes ("filo de cuchillo"


La difracción es un
fenómeno observable en los sistemas físicos en los que intervienen ondas, por el
cual las mismas, cuando encuentran un obstáculo, pueden rodearlo parcialmente
(por eso podemos oír el sonido a la vuelta de una esquina). Las olas en los
lagos o el mar también producen estos efectos.
Mediante la difracción, las
señales de VHF o UHF pueden "doblarse" hacia abajo en los bordes de los
edificios para que algo de la señal alcance una avenida con suficiente
intensidad como para hacer posible el contacto. Del mismo modo en las cimas de
los cerros puede producirse una difracción que permite a la señal alcanzar el
valle que existe a continuación.


Propagación por onda espacial
(space wave) o propagación por línea visual (LOS): *


Si las antenas
se encuentran elevadas sobre el terreno la señal puede propagarse sin necesidad
de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera, también se
la designa como "propagación troposférica" (no confundir con la propagación por
"reflexión troposférica". La troposfera es la porción de
la atmósfera que ocupa aproximadamente los 16 km más cercanos a la superficie.

La onda espacial esta compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo
entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que
partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y
llega a la antena receptora con cierto retraso. La diferencia de distancia
recorrida por el rayo directo y el reflejado determina la intensidad de la señal
en el receptor debido al fenómeno conocido en física elemental como
"interferencia de ondas".

La onda espacial es el modo fundamental de
propagación en las frecuencias superiores a los 30 MHz. También es responsable
de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el
espectro de HF.
Nota: No debe confundirse este modo con una traducción del
término inglés "sky wave" queinterpretarse como "onda celeste o del cielo" y que
hace referencia a la propagación por "onda ionosférica".

* Alguna
literatura (por ejemplo la citada de la ARRL) también considera a la onda
espacial (sky wave) como una de las formas de propagación por "ondas terrestres"
("ground wave".




Propagación por onda ionosférica o celeste (sky wave):


Cuando un 12 de diciembre de 1901 Marconi logró cubrir una distancia de
3378 km entre Poldhu (en Cornualles un condado al suroeste de Inglaterra) y
Saint John´s (en Terranova, provincia más oriental de Canadá), los científicos
quedaron estupefactos, porque si las ondas se propagan en líneas rectas ¿cómo
podían haber salvado la curvatura de la tierra para alcanzar Terranova?.

Oliver Heaviside, físico inglés y Arthur Kennelly, ingeniero electrónico
estadounidense propusieron en 1902 la posibilidad de que esas señales fueran
reflejadas por una capa de partículas cargadas que se encontrara a gran altura
en la atmosfera. Esta capa fue hallada recién en 1920 por otro físico inglés,
Edward V. Appleton quien consiguió calcular su altura mientras estudiaba el
fenómeno del desvanecimiento de las señales. Se la nombró "capa de
Kennelly-Heaviside" en honor de los mencionados. Se halla a unos 100 km de
altura y también se la conoce como capa "E". Poco después se descubrieron otras
situadas a partir de los 225 km de altura (las capas F) conocidas como "capas
Appleton".

Vemos que en las regiones superiores de la atmósfera se
producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de
señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de
electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la
radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de "reflejar" de
nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo
posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad.
El
nombre "ionosfera" fue propuesto en 1930 por el físico escocés Alexander Watson
Watt porque los átomos de los gases allí existentes al ser excitados por los
fotones de la luz solar liberan electrones. Así, el átomo, normalmente neutro,
se desequilibra y queda con una carga neta positiva; se dice que es un ión
positivo, los electrones liberados (que poseen carga negativa) se dice que son
iones negativos. Ión significa "viajero/que viaja" y su nombre surge
históricamente pues dentro de los electrolitos se mueven (viajan) hacia los
electrodos que poseen carga opuesta a la suya..

En la ionosfera se
producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están
relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su
conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con
relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan
alteraciones importantes en la propagación de las señales.




Manchas solares - flujo solar

Las manchas solares son
zonas más oscuras en la fotosfera del Sol en las que se producen intensas
concentraciones de flujo magnético (aparecen más oscuros debido a que poseen
menor temperatura que la zona circundante, pero su temperatura es del orden de
los 3700 °K, y su brillo es aún mayor que la del filamento de una lámpara
incandescente fotográfica.
Cuando la cantidad de manchas aumenta también
aumenta la emisión de radiación ionizante(que tiene capacidad para arrancar
electrones de los átomos), sobre todo rayos ultravioleta. Esta radiación produce
la ionización de los átomos de las capas superiores de la atmosfera dando origen
a las capas electrónicas que producen la refracción de las ondas devolviéndolas
hacia la tierra que hacen posible los comunicados a larga distancia en ondas
cortas . La cantidad de manchas presentes aumenta y disminuye con el tiempo
siguiendo un ciclo bastante regular que dura unos once años afectando las
posibilidades de comunicaciones a lo largo del ciclo. El sol tiene un período de
rotación de veintisiete días por lo que las manchas se mueven conforme gira y su
efecto sobre la propagación depende de esta rotación. A menudo las mismas
manchas persisten durante más de una revolución.

La cantidad de manchas
solares existentes en un determinado momento se especifica con un índice llamado
"R" o "Número de Wolf" (la cuenta no es la directamente visible). Para las
predicciones se suele utilizar el SSN o Smoothed Sunspot Number o "Numero de
manchas promediado" (doblemente) Ellas condicionan la propagación ionosférica.

Muy directamente asociado con la cantidad de manchas solares está el flujo
de radiación electromagnética en una banda de frecuencias de referencia situada
alrededor de los 10,7 cm. Este flujo se mide con precisión y da una indicación
bastante representativa del estado de la ionosfera. Se lo conoce como Indice de
Flujo Solar - Solar Flux Index (SFI). (Nota: Para el uso radial se utiliza un
SSN derivado del SFI denominado SSNf. La relación matemática entre el SFI y el
SSNf es aproximadamente: F10.7 = 63.74 + 0.727 * SSNf + 0.000895*SSNf^2)


En HF, valores bajos del SSN (cercanos a cero) pronostica malas
condiciones de propagación a distancia en bandas altas y buenas en bajas, a la
inversa con valores altos de SSN (más cercanos a 200). Idem para el SFI, siendo
bajos los cercanos a 70 y altos los próximos a 250.




Capas ionosféricas

Las nubes electrónicas mencionadas
tienden a formar capas a distintas alturas. A estas capas se las designa
mediante letras: D, E, F. Cuanto mayor altura tiene una capa mayor es la
distancia posible de alcanzar mediante una sola reflexión. La capa más alta es
la F que durante el día está desdoblada en dos, llamadas respectivamente F1 y F2
las cuales se funden en una sola al atardecer. Recientemente se ha identificado
una capa, denominada F3, que se forma en bajas latitudes (ecuador) cerca del
mediodía, sus efectos son débiles...




Efectos de las capas
Para comprender algunas de las
explicaciones que siguen deberá esforzar su capacidad de visualización,
recordando cómo rebota una bola de billar en la banda o una pelota en una pared.





La capa D, que se encuentra a baja altura (y es la primera que debe
atravesar la señal en su camino hacia las capas superiores), tiene efectos
adversos porque absorbe las señales pero no las refractar nuevamente hacia la
tierra. Esta capa se forma durante el día; es más densa durante el verano y
durante los ciclos de máxima actividad solar. La absorción que produce es
importante, sobre todo en frecuencia inferiores a los 7 MHz,.por eso, cuando la
absorción es máxima, la capa D dificulta o impide las comunicaciones a largas
distancias en las bandas de 40 y 80 m.
Ella dificulta muchísimo las
comunicaciones a largas distancia en la banda de 40 m pues para lograr
distancias de salto importantes es necesario emplear bajos ángulos de radiación
para que los rayos incidan sobre las capas reflectoras en forma casi rasante;
con estos ángulos la señal debe recorrer una considerable distancia en el seno
de la capa D acabando absorbida por esta por lo que llega muy debilitada a las
capas reflectoras (por ello inclusive emisores de mucha potencia como la de las
emisoras de broadcasting en 40 m usualmente no se escuchan en horas cercanas al
mediodía local).
Cuando el Sol se pone, los iones de la capa D se
rápidamente recombinan (en la altura a que están situados se hallan más cercanos
entre si por la mayor presión atmosférica), entonces la capa D desaparece casi
por completo y las señales logran alcanzar fácilmente las capas reflectoras
posibilitando comunicados DX en las bandas más bajas.
En los períodos de
mínima actividad solar, y especialmente en invierno, la capa D se debilita lo
suficiente como para permitir comunicados a considerables distancias en la banda
de 40 m durante el día (como contrapartida las condiciones a corta distancia se
hacen inestables o inexistentes pues se producirán zonas de silencio (skip),
como luego veremos).

Las capas F1 y F2 prodigan la mayoría de los DX a
muy largas distancias en HF por su altura y su capacidad para refractar las
señales nuevamente hacia la tierra. Para que las señales puedan aprovechar las
capas F, deben atravesar la D dos veces, una de ida y otra de vuelta. Al mismo
tiempo las capas F deben tener densidad suficiente para reflejar las señales de
la frecuencia considerada. Si se dan estas condiciones son posibles comunicados
a gran distancia durante el día. Así sucede sobre todo en la banda de 20 m y
superiores, porque la absorción de la capa D es menor en las frecuencias más
elevadas del espectro de HF y las señales pueden atravesarla fácilmente. Es
menos probable que las señales alcancen las capas F durante el día en 40 m e
inferiores porque si consiguen atravesar la capa D resultan reflejadas por la
capa E, que se encuentra a menor altura que la F, con lo cual la señal se
refleja tierra en un punto más bajo.




Variaciones regulares y predecibles de la ionosfera

Puesto que
la ruptura de los átomos en iones es producido principalmente por la radiación
solar, se comprende fácilmente que el desarrollo y comportamiento de estas capas
esté íntimamente ligado as movimiento aparente del Sol durante el día y a lo
largo de las estaciones y a su propia actividad nuclear.

Variaciones
diurnas

Originadas por la rotación de la tierra. Las porciones de la
atmósfera que dan lugar a los enlaces radiales se mueven acompañando a la
superficie, por ello están expuestas durante ciertas horas a la luz solar y
durante la noche está en la sombra de la Tierra. Las radiaciones ultravioletas
del Sol aumenta la cantidad de electrones disponibles en ella para reflejar
señales y por eso la cantidad de electrones disponibles en las diferentes
regiones depende fuertemente de esas horas de luz y sombra.

Efecto: Las
comunicaciones en las bandas más altas de HF durante el día generalmente más
eficaces en las bandas de 14, 21 y 28 MHz durante el día, al mismo tiempo la
densidad de la capa E es es suficiente para reflejar todas las señales de
frecuencias inferiores haciendo posible comunicados de corta y mediana distancia
en la bandas inferiores. Por debajo de los 4 MHz la fuerte ionización de la capa
D (la de más baja altura) impide a las ondas atravesarla porque esta capa tiene
la propiedad de absorber mucha energía..

Variaciones estacionales


La radiación solar es más intensa en las zonas donde es verano y por lo
tanto también en la ionosfera que se halla sobre esas regiones, haciendo que la
densidad electrónica media de las capas en ellas sea superior a la del invierno.


Efecto:

Las variaciones estacionales hacen que durante el verano
la mayor ionización de las capas faciliten los comunicados a grandes distancias
en las frecuencia más altas del espectro de HF. En contrapartida el ruido
atmosférico es mayor en verano perturbando las comunicaciones en las bandas más
bajas

Variaciones mensuales (27 días)

Se producen por la
rotación del Sol sobre su eje. La zona de manchas solares que se hallan sobre la
superficie del mismo giran con él afectando a la ionosfera más intensamente
cuando enfrentan a nuestro planeta.

Variaciones onceaniales


Debidas al ciclo de actividad solar ya mencionado.

Efecto:


Durante los períodos de máxima actividad solar que se suceden cada 11
años las bandas de HF más elevadas permanecen abiertas durante muchas horas
haciendo posible comunicados muy atractivos para el aficionado al DX
perseverante o casual, la banda de 10 m ofrece extraordinarios QSO con potencias
bajas y la de 6 m aperturas muy frecuentes. Durante los períodos de mínima
actividad las bandas más altas están abiertas pocas horas y a veces los
comunicados son muy pobres.
Por el contrario, durante los períodos de mínima
actividad se generalmente se dan mejores condiciones diurnas en las bandas más
bajas (1,8, 3,5 y 7 MHz) debido a la menor ionización de la capa absorbente D.


Variaciones irregulares poco predecibles

Disturbios
ionosféricos repentinos - Sudden Ionospheric Disturbance (SID)



Producidas por intensas erupciones (explosiones) solares conocidas como
"fulguraciones" (flares) que suceden sin previo aviso y producen un aumento
importante en la radiación que llega a la tierra, esta radiación se emite en un
amplio espectro de frecuencia, desde frecuencias de RF muy bajas hasta rayos X.
Sus efectos duran desde algunos minutos hasta algunas horas.
Los rayos X
producen una intensa ionización en las capas inferiores de la ionosfera, sobre
todo en la capa D, que aumenta muchísimo su absorbencia (mayor en las bandas de
HF más bajas), dando lugar a los denominados "blackouts" o desvanecimientos
totales de las señales. Pueden bloquear a tal punto las comunicaciones en HF que
a menudo se tiene la sensación de que no hay estaciones operando o que el
receptor falla, el nivel de ruido puede aumentar 30 o más dB durante períodos
cortos.
El fenómeno se produce en el hemisferio terrestre iluminado por el
Sol y afecta poco la zona en sombra, no obstante si el enlace se está realizando
entre estas dos zonas naturalmente se verá afectado. Las fulguraciones producen
tormentas geomagnéticas y eventos de protones (aumento en la cantidad de
protones de alta energía que arriban a la tierra) que contribuyen a la
persistencia de estos disturbios.
Las bandas que se recuperan más
rápidamente de una fulguración son las más altas, por lo cual conviene retomar
nuestra actividad primero en ellas.
Estas erupciones pueden llegar a
desarrollar la potencia equivalente a un millón de bombas de hidrógeno, energía
más que suficiente para proveer de energía a toda América por más de 50.000
años...





Tormentas magnéticas y ionosféricas

Es un disturbio
global en el campo magnético terrestre que se refleja en la magnetosfera
ocasionado fundamentalmente por un gran aumento del viento solar (consistente en
chorros de partículas cargadas que arriban a la tierra entre los 15 minutos a 2
horas posteriores a una fulguración solar). La velocidad de estas partículas es
tan alta como 1800 km/s con lo cual pueden llegar a la Tierra en 24 hs. La
información acerca de la intensidad de las tormentas magnéticas así como su
pronósticos es provista por diferentes servicios a través de los denominados
"Indices Geomagnéticos", que se designan con las letras Kp y Ap.

El
índice Kp da un promedio de las últimas 3 horas, pudiendo variar entre 0 y 9. El
índice Ap da un promedio de las últimas 24 horas y puede variar entre 0 y 400.
Los números mayores representan tormentas de mayor intensidad en ambos casos.
cuando el número Kp excede de 5, se comienzan a emitir alertas, indicadas con el
número "G" que puede variar de 1 a 5, siendo el 5 indicador de una tormenta
extremadamente severa.

Las tormentas magnéticas destruyen la
estratificación normal de las capas dispersando los iones produciendo así la
pérdida de su capacidad refractiva usual. Pueden aparecen zonas ionizadas
aisladas e irregulares que dan lugar a condiciones de propagación inestables y
erráticas con rápidas fluctuaciones del nivel de señal (flutter. También
originan variaciones importantes en las frecuencias críticas y en la altura de
las capas; se mantiene baja la MUF hasta que las condiciones se van
normalizando. Si bien la intensidad de las tormentas suele ser mayor en los
períodos de mayor actividad solar, en los períodos de actividad baja sus efectos
suelen ser más severos y duraderos.
Cuando luego de una fulguración arriba
el chorro de partículas a los pocos minutos u horas, pueden esperarse varios
días con malas condiciones de propagación.
Recuerde: cuanto mayor es el
índice A y K peores son las condiciones. Un mayor A es indica que peor han
estado las condiciones, un mayor K cuan peor están ahora.

¿Reflexión
o refracción?


Es común explicar el proceso por el cual la ionosfera
devuelve las ondas a tierra como una "reflexión", algo similar a lo que le
sucede a un rayo de luz en un espejo, o bien imaginar que las señales "rebotan"
como una pelota en una pared. Un rebote o una reflexión sucede en general en un
lugar bien definido, por ejemplo el espejo o la pared, sin embargo las ondas en
realidad son devueltas debido al fenómeno conocido como refracción.
La
refracción se produce porque las ondas de radio o luminosas se propagan a
distinta velocidad en medios diferentes, a ella se debe que una varilla
sumergida en agua clara se vea "quebrada". La ionosfera no es una zona con
límites determinados que surge de golpe, sino que su densidad aumenta
progresivamente y al ingresar a la ionosfera las ondas van encontrando un medio
distinto y son curvadas hasta que por fin son devueltas a la tierra, desde el
punto de vista práctico todo sucede como si fueran reflejadas en un límite
preciso conocido como "altura virtual" de la capa..




Zona de silencio (skip zone)

La zona de silencio o "zona de
skip" es un área alrededor del trasmisor que no es alcanzada por la onda
ionosférica, la espacial o la terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las
señales del trasmisor.
A partir de cierta frecuencia, cuando la señal incide
sobre la ionosfera con ángulos próximos a la vertical, la atraviesa sin
reflejarse, las señales no son devueltas a la tierra y no puede establecerse
contacto entre estaciones que precisen de una reflexión en tal ángulo; a medida
que ese ángulo se hace más rasante, llega un punto en que la ionosfera si puede
reflejar la señal hacia tierra y pueden comunicar entre si estaciones situadas
entre los dos puntos que ese ángulo determina.
Supongamos que rayos más
verticales que el indicado en la figura no pudieran ser reflejados, entonces la
zona de skip o silencio es la que hay entre la la parte alcanzada por la onda
terrestre (ground wave) de la estación emisora y el punto en que la señal arriba
a la tierra reflejada por la ionosfera
Esta zona suele ser más amplia
durante la noche, en invierno y durante los períodos de menor actividad solar
debido a que en estas situaciones la densidad de la capa ionizada es menor,
haciendo imposibles los comunicados a corta distancia sobre la banda
considerada. En este caso la solución para comunicar con estaciones más cercanas
es emplear frecuencias más bajas.

Distancia de salto (hop lenght)


Es la distancia sobre la tierra que alcanza una onda de radio luego de
ser reflejada una vez en la ionosfera, la distancia de salto depende de la
altura de la capa en la cual se produce la reflexión y del ángulo de incidencia
de la onda sobre la misma. La máxima distancia de salto se producirá con una
incidencia casi rasante para una dada altura de la capa. Por ejemplo mediante la
capa F situada a una altura de unos 300 km con un ángulo de radiación vertical
de la antena de unos 4 grados, la distancia de salto será de aproximadamente
3200 km; en similares condiciones, mediante la capa E (100 km) la distancia
máxima será solamente de unos 1800 km. Se logran cubrir distancias mayores con
varios saltos. Por ejemplo podrían cubrirse unos 6100 km con un mínimo de cuatro
saltos en la capa E o dos saltos vía la capa F. Si los ángulos de radiación de
las antenas fueran mayores se requerirían más saltos para lograr estas
distancias.

Tabla de ángulo de disparo de la antena y distancia de salto
correspondiente (los valores indicados resultan de un cálculo, han de
interpretarse como aproximados). (Surge de averiguar la distancia de salto
resultante de la MUF y la altura de la capa, la MUF = Fcritica / Seno del ángulo
de incidencia de la señal)

Ang. disparo Distancia
(grados) F2 Día
(km) F2 Noche (km)
0 3220 4508
5 2415 3703
10 1932 2898
15 1450
2254
20 1127 1771
25 966 1610
30 725 1328
35 644 1127
40 564
966
45 443 805
50 403 685
69 258 443
70 153 290
80 80 145

90 0 0


Si la ionosfera fuera realmente un espejo y mediante un
reflector se pretendiera utilizarla para iluminar una zona en tierra haciendo
reflejar en ella la luz del reflector, es fácil advertir que habrá un ángulo
apropiado para lograrlo, si la luz incide más verticalmente su reflejo cae antes
del punto deseado y si la incidencia fuera más rasante la luz reflejada
sobrepasaría el objetivo. El haz (o los haces, pues pueden ser varios) de
energía de la antena (lóbulos de radiación verticales) son más o menos anchos y
por ello el ángulo no es muy crítico, pero si podemos conseguir que la porción
principal de la energía arribe a la ionosfera en el mejor ángulo, eso
favorecería a la comunicación.
Al ángulo vertical en que la antena irradia
su máxima energía se lo suele llamar "ángulo de disparo". Si de algún modo
logramos controlar ese ángulo para igualarlo al óptimo sería de gran valor.
Aunque no es fácil lograr tal control en la instalación típica de un
radioaficionado con antenas especialmente diseñadas para el propósito puede
lograrse algo con el simple expediente de subir y bajar un dipolo mediante
roldanas, pues el/los lóbulos de radiación vertical dependen fuertemente de la
altura de las antenas.

En general los ángulos más bajos de radiación de
la antena convendrán para comunicados a largas distancias y ángulos más elevados
para los comunicados locales. El diagrama de radiación vertical depende del tipo
de antena pero fundamentalmente de su altura sobre el terreno. Es un error
corriente creer que en HF no es importante la altura de la antena "porque la
señal rebota en la ionosfera". Por un lado cuando las antenas están bajas están
sujetas a mayores pérdidas por la absorción de la tierra y otros objetos sino
que el lóbulo de radiación vertical más bajo (pues pueden ser varios) tiende a
tener un ángulo menor a medida que se eleva la antena sobre el terreno y eso es
lo que se busca para comunicados a grandes distancias.

Propagación en
VHF/UHF y superiores

En las frecuencias más altas del espectro la
ionosfera ya no es capaz de reflejar las ondas de radio y prácticamente no
existen comunicaciones por su intermedio, entonces se dice que las
comunicaciones se realizan por onda directa que se mueven en líneas rectas, con
lo cual el alcance queda limitado por la curvatura de la tierra a distancias que
no exceden mucho el horizonte. En este caso la altura de las antenas cobra una
importancia mayor porque amplía ese horizonte. Como la parte baja de la
atmósfera se denomina troposfera la propagación entre estaciones sobre la
superficie de la tierra se denomina por "ondas troposféricas" (la troposfera es
la parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la tierra y
en la cual suceden los fenómenos meteorológicos comunes).


Desvanecimiento (Fading)
Cuando se reciben ondas de radio
de un mismo punto, se encuentra que la intensidad de las mismas varía
notablemente según la hora del día, la época del año etc, según se vio, pero es
común percibir una variación mucho más rápida en la intensidad que puede
producirse desde muy lentamente (minutos) hasta bastante rápidos (décimas de
segundo). Estas variaciones más o menos rápidas se conocen como
"desvanecimientos" y obedecen a diferentes causas, tales como:

* Que
varíen las condiciones físicas del medio por el cual viajan las señales
(variaciones de densidad de la atmósfera, del contenido de vapor, de iones,
etc.)
* Que lleguen al receptor distintas "copias" de la señal recorriendo
múltiples caminos (multipath). Las diferentes copias arriban ligeramente
desfasadas haciendo que se sumen o se resten sus amplitudes (diferencias de
fase). Como estos caminos están continuamente variando el efecto de atenuación o
refuerzo varía con el tiempo.
* Que se produzcan reflexiones en objetos que
están en movimiento provocando el efecto anterior (aviones, automóviles, etc.)

* Que el trasmisor y o el receptor estén en movimiento y los caminos de la
señal estén variando con el tiempo.
* Que se atenúen algunas frecuencias
mientras que otras inmediatamente cercanas no deformando las señales
(desvanecimiento selectivo).

Las causas del desvanecimiento pueden ser
muy numerosas, como se ve, pero en todos los casos producen un deterioro más o
menos pronunciado de la calidad del enlace. Aunque pueden tomarse algunas
medidas para soslayar su efecto, muchas de ellas no son fáciles de implementar
en la instalación común de un radioaficionado.

FMU, MFU, FOT (en
inglés MFU LFU OTF )


Estos conceptos son muy importantes cuando se
intentan realizar comunicaciones ionosféricas en ondas cortas, conocerlos
permitirá no solamente comprender cómo se manifestarán los efectos que se han
visto, sino preverlos y aprovecharlos prácticamente. Cuando para uno la
propagación está "mala", para otro las cosas están sucediendo de acuerdo a lo
previsto. La diferencia puede ir desde obtener una buena clasificación en un
concurso hasta saber cuál es el mejor horario par hablar con estaciones de
diversas partes del mundo en diferentes estaciones, horarios o años del ciclo
solar.

Recuerde lo siguiente: La Frecuencia Máxima Utilizable (MUF -
Maximun Usable Frequency) siempre hace referencia al contacto con un punto
determinado. Es la mayor frecuencia que se puede emplear para contactar con ese
punto, si se supera esta frecuencia, simplemente la señal "perforará" o se
perderá en la capa y no será devuelta a la tierra. Esto sucede en parte porque
cuanto más perpendicularmente incida la señal sobre la capa más fácilmente la
perforará y cuanto más rasante lo haga, más fácil será que ella pueda
reflejarla. En la figura se ve que esto es lo que sucede con los rayos fa y fm.
Recién el fb posee una frecuencia lo suficientemente baja para que la capa lo
refleje hacia el punto deseado, pero la otra figura muestra que para un punto
que precise de un ángulo del rayo algo más rasante solamente el fa perfora la
capa y fm puede ser reflejada al igual que fa

Agregar una figura con
tres rayos, 2 perforan y uno rebota

Otra figura con los mismos tres
rayos y otro punto, donde uno perfora y dos rebotan.

Figura con capa a
distinta altura.

A medida que la densidad de la capa disminuye, cada vez
es menor su capacidad para devolver la señal a tierra, por tanto a medida que se
aproxima la noche se hará necesario bajar más la frecuencia para poder mantener
contacto con el mismo punto.

Si se analiza el problema desde otro punto
de vista (viendo qué sucede si conservamos fija la frecuencia), pudiera ser que
esa frecuencia sea la máxima posible para alcanzar un punto, pero aún así
continuará siendo adecuada para puntos más distantes porque para llegar a ellos
los rayos deben alcanzar la capa de manera más rasante y en esas condiciones
ellas será capaz de reflejarlos como se ve en la figura. Comprender esto es
esencial para entender qué sucede cuando las capas pierden densidad, sea porque
es de noche, o el ciclo de actividad solar está cerca de sus mínimos.
Lo que
puede observarse de inmediato es que la zona de salto aumenta en tales
circunstancias, por lo cual solo serán posibles contactos a distancias mayores
manteniendo una dada frecuencia, dicho de otro modo: la FMU para contactar con
puntos cercano necesita ser mayor, si se mantiene la frecuencia no logrará el
contacto a esa distancia pero si a mayores, por eso, a medida que desciende la
densidad de ionización, se va perdiendo capacidad de comunicar con estaciones
cercanas y se impone disminuir la frecuencia de trabajo del circuito.


Queda claro que para contactar con cierto punto debe utilizarse una
frecuencia igual o inferior a la FMU, pero ¿porqué no operar con una frecuencia
mucho menor que la FMU y así soslayar esos inconvenientes?. Esto nos llevará a
ver la denominada Mínima Frecuencia Utilizable, pero antes veamos lo siguiente:


Frecuencia crítica


La ionosfera puede llegar a tener
densidad suficiente como para reflejar una señal aunque la misma la alcance
perpendicularmente, a medida que aumentamos la frecuencia penetra más y más
hasta que finalmente perfora la capa y ya no puede reflejarla. La máxima
frecuencia que puede reflejar la capa cuando el rayo incide perpendicularmente a
ella se llama "Frecuencia crítica de incidencia vertical" o simplemente
"frecuencia crítica". Esta frecuencia puede llegar a ser tan baja como 2 MHz por
la noche o tan alta como unos 15 MHz durante el día




Se obtiene la frecuencia crítica mediante un trasmisor que emite una
señal verticalmente para que sea reflejada por la capa, aumentando su frecuencia
hasta que desaparece la reflexión. Esa será la frecuencia crítica buscada.

Esto está íntimamente relacionado con la FMU, ya que empleando una
frecuencia menor que la crítica, en principio todos los puntos serían
alcanzables y no habrá zona de skip.
El conocimiento de la frecuencia
crítica de una capa nos permite averiguar fácilmente la Máxima Frecuencia
Utilizable (MUF, en inglés) para un enlace en particular.

Altura
virtual de la capa


Si al averiguar la frecuencia crítica se mide
tiempo de ida y vuelta de la señal puede establecerse la altura a la cuál
debería estar situada una capa imaginaria que produjera una reflexión semejante
a la producida por el efecto de refracción. Esa altura imaginaria se llama
"altura virtual". Aunque la señal sufre un proceso diferente, el efecto final es
como si la señal fuera verdaderamente reflejada en tal capa ficticia.


Mínima Frecuencia Utilizable y Frecuencia Optima de Trabajo.


A primera vista parecería que utilizando frecuencias menores que la
máxima utilizable, o aún mejor, menores que la frecuencia crítica se resolverían
todas estas situaciones, desafortunadamente no es así. Es probable que debajo de
la capa que se está tratando de aprovechar (por su mayor altura) exista otra que
también tiene capacidad para refractar señales, o bien que ellas absorban las
señales de frecuencias más bajas (por ejemplo la capa D), impidiendo que
alcancen la capa superior que les permitiría producir saltos a mayor distancia y
así, para cubrir una determinada distancia, resultarían necesarias varias
reflexiones sucesivas entre la ionosfera y la tierra, en estas condiciones la
señal puede atenuarse tanto como para no llegar con un valor adecuado en el
receptor. Lo que sucede es que a partir de la MUF hacia abajo se advierte un
deterioro progresivo en la intensidad de señales hasta que finalmente quedan
enmascaradas totalmente en el ruido atmosférico.
La menor frecuencia a la
que es posible realizar el contacto se denomina "Mínima Frecuencia Utilizable"
(LUF - Lowest Usable Frequency) y resulta de la atenuación que se produce a
frecuencias más bajas, por eso, mientras la FMU establece un límite inevitable,
la MFU puede soslayarse utilizando mayor potencia para hacer llegar al receptor
suficiente señal a pesar de la atenuación, eso no siempre será posible, tanto
por limitaciones prácticas como de requisitos reglamentarios.
Es importante
destacar que las señales más intensas habitualmente se logran cuando el enlace
se realiza utilizando frecuencias levemente más bajas que la FMU (MUF), Una
frecuencia situada aproximadamente un 15 % por debajo de la FMU se la denomina
Frecuencia Optima de Trabajo (FOT - Frequency od Optimun Transmission), porque
provee una señal intensa y estable...

NVIS (Near Vertical Incidence
Skywave) - Onda celeste de incidencia casi vertical


Este modo de
propagación se presenta cuando una señal que arriba a la ionosfera con un ángulo
de incidencia cercano a la vertical, es reflejada por ella con intensidad
suficiente como para proveer comunicaciones útiles. Como se muestra en la figura
este modo permite sortear obstáculos elevados tales como montañas o cerros. Es
un modo típicamente local. Para ser posible requiere que la frecuencia crítica
de la capa sea mayor que la de operación, pues de lo contrario la señal la
atravesará sin ser reflejada. Con este modo conviene emplear antenas cuyo
diagrama de radiación concentre la mayor energía posible en ángulos elevados (lo
contrario a lo que se busca para comunicaciones de larga distancia). En este
sentido darán buenos resultados los dipolos a baja altura (un cuarto de onda o
menos), o dipolos con un reflector parásito instalado debajo del mismo.
Si
usted está interesado en mantener buenos contactos locales en la banda de 80 o
160 m (y con reservas en la de 40 m) puede instalar una antena que aproveche
esta posibilidad o recurrir a disminuir la altura un dipolo extendido normal
mediante roldanas, si fuera necesario.




Ruido atmosférico

Extraer textos de artículo sobre ruido
de LU6ETJ

Efecto Doppler

Quien haya oído el silbato de
una locomotora o la bocina de un automóvil que se acerca, pasa frente a nosotros
y se aleja nuevamente rápidamente, habrá advertido que la frecuencia del sonido
disminuye bruscamente cuando el vehículo pasa por delante y comienza a alejarse.
Si el vehículo estuviera detenido, se notaría que la frecuencia del sonido en
reposo posee valor intermedio entre esos dos. Efectivamente, cuando la fuente de
sonido se acerca, su frecuencia es mayor, y a la inversa. No se trata de una
ilusión, sino de un fenómeno físico real que también se manifiesta con las ondas
electromagnéticas. Así, cuando una fuente de ondas de radio se está acercando su
frecuencia es mayor y viceversa. Este fenómeno se conoce como "Efecto Doppler"
en honor del Físico y matemático austríaco Christian Andreas Doppler. Gracias a
este efecto se propuso la hipótesis del universo en expansión y el "Big Bang",
pues creemos que las galaxias lejanas se alejan de nosotros tan rápidamente que
la frecuencia de la luz disminuye haciendo que todo su espectro se corra hacia
el rojo.
El efecto Doppler es muy notable cuando se emplean satélites
artificiales de aficionados de órbita baja, pues su velocidad relativa es muy
alta y en un receptor eso se convierte en un corrimiento de frecuencia muy
notable (algunos kHz) que obliga a resintonizar el equipo y causa problemas con
los sistemas de datos sensible a la frecuencia.

Propagación por
dispersión troposférica


Cambios de polarización en la reflexión
ionosférica.


En su viaje a través de la ionosfera las señales de
radio que partieron de la antena con una determinada polarización sufren cambios
importantes en la dirección y/o tipo de polarización. El campo magnético de la
Tierra hace que la ionosfera sea un medio que no presenta las mismas propiedades
en distintas direcciones (anisotropía). La señal original se subdivide en dos
ondas (denominadas onda ordinaria y onda extraordinaria) de diferente
polarización las que tienen constantes de propagación diferentes por lo que al
salir de la ionosfera se recombinan de tal manera que la polarización original
resulta cambiada, dando lugar a desvanecimientos de la señal recibida.


Rotación de Faraday

Cuando las señales tienen suficiente
frecuencia como para atravesar la ionosfera, también sufren cambios en su
polarización por efecto del campo magnético de la tierra, aún en frecuencias muy
elevadas. Este fenómeno es importante en las comunicaciones de VHF y UHF con
satélites artificiales o en rebote lunar lo que hace aconsejable el empleo de
antenas de polarización circular o doble polarización. Si no se emplean antenas
de polarización circular, el desvanecimiento por desalineación puede durar
algunos minutos.

Sistemas "diversity"
Diversity de
frecuencia

El problema del desvanecimiento de las señales puede
resolverse parcialmente aprovechando el hecho de que la señal no se desvanece
igualmente en distintas frecuencias aunque estas se hallen bastantes próximas
(lo que produce lo que los aficionados llaman coloquialmente "QSB deformante" en
radiotelefonía) y con más razón cuando se encuentran más alejadas. Esta
propiedad se aprovecha en los sistemas de radioteletipo y similares, mediante la
manipulación por desplazamiento de frecuencia FSK, como se describe en el
capítulo correspondiente, lo cual puede verse claramente con los populares
programas de PC que muestran el nivel de las señales de marca y espacio en
diferentes formatos visuales.
También están menos sujetas al desvanecimiento
aquellas trasmisiones que emplean mayor ancho de banda para transportar la
información como los sistemas de FM, aunque estos demandan anchos de banda poco
aceptables en HF.

Diversity por diferencia de situación
geográfica


Otra forma de diversity resulta del hecho de que la señal
no se desvanece igualmente en ubicaciones separadas entre si alguna longitudes
de onda. Empleando más de una antena para recepción se puede sacar provecho de
esta peculiaridad. Se aplica la señal de cada antena a varios receptores
sintonizados a la misma frecuencia y la salida de los detectores se combina de
manera tal que aquella que tiene mayor intensidad se emplea para controlar la
ganancia de todos ellos, con lo cual la que alcanza el parlante siempre proviene
de aquel que recibe con mayor intensidad.

Disversity inteligente



El abaratamiento de la tecnología de computación permite desarrollar
sistemas aun más perfeccionados controlados por sistemas con mayor inteligencia.
Con estos métodos es posible controlar la directividad vertical y horizontal de
los sistemas de antena al mismo tiempo que se aprovechan posibilidades como las
mencionadas en los dos puntos anteriores. aunque estas técnicas no son usuales
en la actividad del radioaficionado normal es ilustrativo mencionar estas
técnicas ingeniosas para alcanzar una recepción más perfecta en HF.

Los modos de propagación más comunes son:

Propagación por onda
directa (direct wave):


La señal va del trasmisor al receptor por un
camino directo sin obstrucciones ni reflexiones de importancia. Es el tipo de
propagación que en general encontramos en una señal de VHF/UHF/SHF con una
comunicación con un satélite artificial, un radar dirigido hacia un objeto en el
cielo, satélites entre si, comunicación con naves espaciales o con otros objetos
celestes naturales sobre los cuales se hayan asentado equipos de radio.
Es
un término a veces mal usado, cuando se lo aplica a comunicaciones que se
producen entre estaciones de HF/VHF/UHF que están dentro del alcance visual, con
antenas normalmente elevadas sobre la superficie de la tierra; en estos casos la
propagación de dice que es por "onda espacial", en ella están presentes una onda
directa y una reflejada en tierra (ver figura debajo)




Esta antena podría estar comunicando por "onda directa"


Propagación por onda superficial o terrestre (surface wave - ground
wave)*


La onda de superficie es una que se mantiene adyacente a la
superficie de la tierra siguiendo su curvatura por un proceso de difracción.
Tendrá polarización vertical a partir de una corta distancia del trasmisor pues
cualquier componente del campo eléctrico horizontal es rápidamente absorbida por
la tierra (que actúa como un cortocircuito, para é). Para aprovechar de este
tipo de propagación convendrá emplear antenas de polarización vertical.


Es la forma habitual por la cual se reciben las señales de las emisoras
de broadcasting de onda media (550 a 1750 KHz) durante las horas del día.
También se denomina "propagación por onda terrestre". Este tipo de propagación
es especialmente efectivo en el mar tanto en frecuencias medias (MF) como en
frecuencias elevadas (HF). El efecto se aprovecha mejor cuando las antenas
emiten con ángulos bajos de radiación. Antenas de cuarto o media onda montadas a
nivel del suelo son excelentes para este cometido. Ellas permiten lograr
comunicados en las frecuencias más bajas (por ejemplo 3,5 MHz) cuando los
corresponsales quedan en "zona de salto" (skip) (mayormente durante la noche) o
no pueden ser alcanzados durante el día por la absorción de la capa D. A veces
se emplea mal este término para los casos de propagación por onda espacial.


* A veces se utiliza el término "onda terrestre" (ground wave) para
designar también a las señales que no utilizan la ionosfera para propagarse
entre dos estaciones con sus antenas cercanas a la superficie terrestre, este
tratamiento suele encontrarse en los manuales de la ARRL incluyendo en esta
designación tanto a la onda de superficie (surface wave) como a la onda espacial
(space wave).

Propagación por ondas reflejadas en objetos
materiales.


Este tipo de propagación es típico de las frecuencia más
elevadas. Es responsable de muchos fenómenos que advertimos en las bandas de VHF
y superiores. Las señales se reflejan en superficies que pueden considerarse
"lisas" para la longitud de onda considerada pudiendo alcanzar lugares que
podrían estar ocultos para las señales directas. En microondas suele utilizarse
esta posibilidad artificialmente estableciendo repetidores pasivos en lugares
elevados (cerros, montañas, edificios).

Propagación por difracción en bordes ("filo de cuchillo"


La difracción es un
fenómeno observable en los sistemas físicos en los que intervienen ondas, por el
cual las mismas, cuando encuentran un obstáculo, pueden rodearlo parcialmente
(por eso podemos oír el sonido a la vuelta de una esquina). Las olas en los
lagos o el mar también producen estos efectos.
Mediante la difracción, las
señales de VHF o UHF pueden "doblarse" hacia abajo en los bordes de los
edificios para que algo de la señal alcance una avenida con suficiente
intensidad como para hacer posible el contacto. Del mismo modo en las cimas de
los cerros puede producirse una difracción que permite a la señal alcanzar el
valle que existe a continuación.


Propagación por onda espacial
(space wave) o propagación por línea visual (LOS): *


Si las antenas
se encuentran elevadas sobre el terreno la señal puede propagarse sin necesidad
de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera, también se
la designa como "propagación troposférica" (no confundir con la propagación por
"reflexión troposférica". La troposfera es la porción de
la atmósfera que ocupa aproximadamente los 16 km más cercanos a la superficie.

La onda espacial esta compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo
entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que
partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y
llega a la antena receptora con cierto retraso. La diferencia de distancia
recorrida por el rayo directo y el reflejado determina la intensidad de la señal
en el receptor debido al fenómeno conocido en física elemental como
"interferencia de ondas".

La onda espacial es el modo fundamental de
propagación en las frecuencias superiores a los 30 MHz. También es responsable
de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el
espectro de HF.
Nota: No debe confundirse este modo con una traducción del
término inglés "sky wave" queinterpretarse como "onda celeste o del cielo" y que
hace referencia a la propagación por "onda ionosférica".

* Alguna
literatura (por ejemplo la citada de la ARRL) también considera a la onda
espacial (sky wave) como una de las formas de propagación por "ondas terrestres"
("ground wave".




Propagación por onda ionosférica o celeste (sky wave):


Cuando un 12 de diciembre de 1901 Marconi logró cubrir una distancia de
3378 km entre Poldhu (en Cornualles un condado al suroeste de Inglaterra) y
Saint John´s (en Terranova, provincia más oriental de Canadá), los científicos
quedaron estupefactos, porque si las ondas se propagan en líneas rectas ¿cómo
podían haber salvado la curvatura de la tierra para alcanzar Terranova?.

Oliver Heaviside, físico inglés y Arthur Kennelly, ingeniero electrónico
estadounidense propusieron en 1902 la posibilidad de que esas señales fueran
reflejadas por una capa de partículas cargadas que se encontrara a gran altura
en la atmosfera. Esta capa fue hallada recién en 1920 por otro físico inglés,
Edward V. Appleton quien consiguió calcular su altura mientras estudiaba el
fenómeno del desvanecimiento de las señales. Se la nombró "capa de
Kennelly-Heaviside" en honor de los mencionados. Se halla a unos 100 km de
altura y también se la conoce como capa "E". Poco después se descubrieron otras
situadas a partir de los 225 km de altura (las capas F) conocidas como "capas
Appleton".

Vemos que en las regiones superiores de la atmósfera se
producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de
señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de
electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la
radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de "reflejar" de
nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo
posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad.
El
nombre "ionosfera" fue propuesto en 1930 por el físico escocés Alexander Watson
Watt porque los átomos de los gases allí existentes al ser excitados por los
fotones de la luz solar liberan electrones. Así, el átomo, normalmente neutro,
se desequilibra y queda con una carga neta positiva; se dice que es un ión
positivo, los electrones liberados (que poseen carga negativa) se dice que son
iones negativos. Ión significa "viajero/que viaja" y su nombre surge
históricamente pues dentro de los electrolitos se mueven (viajan) hacia los
electrodos que poseen carga opuesta a la suya..

En la ionosfera se
producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están
relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su
conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con
relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan
alteraciones importantes en la propagación de las señales.




Manchas solares - flujo solar

Las manchas solares son
zonas más oscuras en la fotosfera del Sol en las que se producen intensas
concentraciones de flujo magnético (aparecen más oscuros debido a que poseen
menor temperatura que la zona circundante, pero su temperatura es del orden de
los 3700 °K, y su brillo es aún mayor que la del filamento de una lámpara
incandescente fotográfica.
Cuando la cantidad de manchas aumenta también
aumenta la emisión de radiación ionizante(que tiene capacidad para arrancar
electrones de los átomos), sobre todo rayos ultravioleta. Esta radiación produce
la ionización de los átomos de las capas superiores de la atmosfera dando origen
a las capas electrónicas que producen la refracción de las ondas devolviéndolas
hacia la tierra que hacen posible los comunicados a larga distancia en ondas
cortas . La cantidad de manchas presentes aumenta y disminuye con el tiempo
siguiendo un ciclo bastante regular que dura unos once años afectando las
posibilidades de comunicaciones a lo largo del ciclo. El sol tiene un período de
rotación de veintisiete días por lo que las manchas se mueven conforme gira y su
efecto sobre la propagación depende de esta rotación. A menudo las mismas
manchas persisten durante más de una revolución.

La cantidad de manchas
solares existentes en un determinado momento se especifica con un índice llamado
"R" o "Número de Wolf" (la cuenta no es la directamente visible). Para las
predicciones se suele utilizar el SSN o Smoothed Sunspot Number o "Numero de
manchas promediado" (doblemente) Ellas condicionan la propagación ionosférica.

Muy directamente asociado con la cantidad de manchas solares está el flujo
de radiación electromagnética en una banda de frecuencias de referencia situada
alrededor de los 10,7 cm. Este flujo se mide con precisión y da una indicación
bastante representativa del estado de la ionosfera. Se lo conoce como Indice de
Flujo Solar - Solar Flux Index (SFI). (Nota: Para el uso radial se utiliza un
SSN derivado del SFI denominado SSNf. La relación matemática entre el SFI y el
SSNf es aproximadamente: F10.7 = 63.74 + 0.727 * SSNf + 0.000895*SSNf^2)


En HF, valores bajos del SSN (cercanos a cero) pronostica malas
condiciones de propagación a distancia en bandas altas y buenas en bajas, a la
inversa con valores altos de SSN (más cercanos a 200). Idem para el SFI, siendo
bajos los cercanos a 70 y altos los próximos a 250.




Capas ionosféricas

Las nubes electrónicas mencionadas
tienden a formar capas a distintas alturas. A estas capas se las designa
mediante letras: D, E, F. Cuanto mayor altura tiene una capa mayor es la
distancia posible de alcanzar mediante una sola reflexión. La capa más alta es
la F que durante el día está desdoblada en dos, llamadas respectivamente F1 y F2
las cuales se funden en una sola al atardecer. Recientemente se ha identificado
una capa, denominada F3, que se forma en bajas latitudes (ecuador) cerca del
mediodía, sus efectos son débiles...




Efectos de las capas
Para comprender algunas de las
explicaciones que siguen deberá esforzar su capacidad de visualización,
recordando cómo rebota una bola de billar en la banda o una pelota en una pared.





La capa D, que se encuentra a baja altura (y es la primera que debe
atravesar la señal en su camino hacia las capas superiores), tiene efectos
adversos porque absorbe las señales pero no las refractar nuevamente hacia la
tierra. Esta capa se forma durante el día; es más densa durante el verano y
durante los ciclos de máxima actividad solar. La absorción que produce es
importante, sobre todo en frecuencia inferiores a los 7 MHz,.por eso, cuando la
absorción es máxima, la capa D dificulta o impide las comunicaciones a largas
distancias en las bandas de 40 y 80 m.
Ella dificulta muchísimo las
comunicaciones a largas distancia en la banda de 40 m pues para lograr
distancias de salto importantes es necesario emplear bajos ángulos de radiación
para que los rayos incidan sobre las capas reflectoras en forma casi rasante;
con estos ángulos la señal debe recorrer una considerable distancia en el seno
de la capa D acabando absorbida por esta por lo que llega muy debilitada a las
capas reflectoras (por ello inclusive emisores de mucha potencia como la de las
emisoras de broadcasting en 40 m usualmente no se escuchan en horas cercanas al
mediodía local).
Cuando el Sol se pone, los iones de la capa D se
rápidamente recombinan (en la altura a que están situados se hallan más cercanos
entre si por la mayor presión atmosférica), entonces la capa D desaparece casi
por completo y las señales logran alcanzar fácilmente las capas reflectoras
posibilitando comunicados DX en las bandas más bajas.
En los períodos de
mínima actividad solar, y especialmente en invierno, la capa D se debilita lo
suficiente como para permitir comunicados a considerables distancias en la banda
de 40 m durante el día (como contrapartida las condiciones a corta distancia se
hacen inestables o inexistentes pues se producirán zonas de silencio (skip),
como luego veremos).

Las capas F1 y F2 prodigan la mayoría de los DX a
muy largas distancias en HF por su altura y su capacidad para refractar las
señales nuevamente hacia la tierra. Para que las señales puedan aprovechar las
capas F, deben atravesar la D dos veces, una de ida y otra de vuelta. Al mismo
tiempo las capas F deben tener densidad suficiente para reflejar las señales de
la frecuencia considerada. Si se dan estas condiciones son posibles comunicados
a gran distancia durante el día. Así sucede sobre todo en la banda de 20 m y
superiores, porque la absorción de la capa D es menor en las frecuencias más
elevadas del espectro de HF y las señales pueden atravesarla fácilmente. Es
menos probable que las señales alcancen las capas F durante el día en 40 m e
inferiores porque si consiguen atravesar la capa D resultan reflejadas por la
capa E, que se encuentra a menor altura que la F, con lo cual la señal se
refleja tierra en un punto más bajo.




Variaciones regulares y predecibles de la ionosfera

Puesto que
la ruptura de los átomos en iones es producido principalmente por la radiación
solar, se comprende fácilmente que el desarrollo y comportamiento de estas capas
esté íntimamente ligado as movimiento aparente del Sol durante el día y a lo
largo de las estaciones y a su propia actividad nuclear.

Variaciones
diurnas

Originadas por la rotación de la tierra. Las porciones de la
atmósfera que dan lugar a los enlaces radiales se mueven acompañando a la
superficie, por ello están expuestas durante ciertas horas a la luz solar y
durante la noche está en la sombra de la Tierra. Las radiaciones ultravioletas
del Sol aumenta la cantidad de electrones disponibles en ella para reflejar
señales y por eso la cantidad de electrones disponibles en las diferentes
regiones depende fuertemente de esas horas de luz y sombra.

Efecto: Las
comunicaciones en las bandas más altas de HF durante el día generalmente más
eficaces en las bandas de 14, 21 y 28 MHz durante el día, al mismo tiempo la
densidad de la capa E es es suficiente para reflejar todas las señales de
frecuencias inferiores haciendo posible comunicados de corta y mediana distancia
en la bandas inferiores. Por debajo de los 4 MHz la fuerte ionización de la capa
D (la de más baja altura) impide a las ondas atravesarla porque esta capa tiene
la propiedad de absorber mucha energía..

Variaciones estacionales


La radiación solar es más intensa en las zonas donde es verano y por lo
tanto también en la ionosfera que se halla sobre esas regiones, haciendo que la
densidad electrónica media de las capas en ellas sea superior a la del invierno.


Efecto:

Las variaciones estacionales hacen que durante el verano
la mayor ionización de las capas faciliten los comunicados a grandes distancias
en las frecuencia más altas del espectro de HF. En contrapartida el ruido
atmosférico es mayor en verano perturbando las comunicaciones en las bandas más
bajas

Variaciones mensuales (27 días)

Se producen por la
rotación del Sol sobre su eje. La zona de manchas solares que se hallan sobre la
superficie del mismo giran con él afectando a la ionosfera más intensamente
cuando enfrentan a nuestro planeta.

Variaciones onceaniales


Debidas al ciclo de actividad solar ya mencionado.

Efecto:


Durante los períodos de máxima actividad solar que se suceden cada 11
años las bandas de HF más elevadas permanecen abiertas durante muchas horas
haciendo posible comunicados muy atractivos para el aficionado al DX
perseverante o casual, la banda de 10 m ofrece extraordinarios QSO con potencias
bajas y la de 6 m aperturas muy frecuentes. Durante los períodos de mínima
actividad las bandas más altas están abiertas pocas horas y a veces los
comunicados son muy pobres.
Por el contrario, durante los períodos de mínima
actividad se generalmente se dan mejores condiciones diurnas en las bandas más
bajas (1,8, 3,5 y 7 MHz) debido a la menor ionización de la capa absorbente D.


Variaciones irregulares poco predecibles

Disturbios
ionosféricos repentinos - Sudden Ionospheric Disturbance (SID)



Producidas por intensas erupciones (explosiones) solares conocidas como
"fulguraciones" (flares) que suceden sin previo aviso y producen un aumento
importante en la radiación que llega a la tierra, esta radiación se emite en un
amplio espectro de frecuencia, desde frecuencias de RF muy bajas hasta rayos X.
Sus efectos duran desde algunos minutos hasta algunas horas.
Los rayos X
producen una intensa ionización en las capas inferiores de la ionosfera, sobre
todo en la capa D, que aumenta muchísimo su absorbencia (mayor en las bandas de
HF más bajas), dando lugar a los denominados "blackouts" o desvanecimientos
totales de las señales. Pueden bloquear a tal punto las comunicaciones en HF que
a menudo se tiene la sensación de que no hay estaciones operando o que el
receptor falla, el nivel de ruido puede aumentar 30 o más dB durante períodos
cortos.
El fenómeno se produce en el hemisferio terrestre iluminado por el
Sol y afecta poco la zona en sombra, no obstante si el enlace se está realizando
entre estas dos zonas naturalmente se verá afectado. Las fulguraciones producen
tormentas geomagnéticas y eventos de protones (aumento en la cantidad de
protones de alta energía que arriban a la tierra) que contribuyen a la
persistencia de estos disturbios.
Las bandas que se recuperan más
rápidamente de una fulguración son las más altas, por lo cual conviene retomar
nuestra actividad primero en ellas.
Estas erupciones pueden llegar a
desarrollar la potencia equivalente a un millón de bombas de hidrógeno, energía
más que suficiente para proveer de energía a toda América por más de 50.000
años...





Tormentas magnéticas y ionosféricas

Es un disturbio
global en el campo magnético terrestre que se refleja en la magnetosfera
ocasionado fundamentalmente por un gran aumento del viento solar (consistente en
chorros de partículas cargadas que arriban a la tierra entre los 15 minutos a 2
horas posteriores a una fulguración solar). La velocidad de estas partículas es
tan alta como 1800 km/s con lo cual pueden llegar a la Tierra en 24 hs. La
información acerca de la intensidad de las tormentas magnéticas así como su
pronósticos es provista por diferentes servicios a través de los denominados
"Indices Geomagnéticos", que se designan con las letras Kp y Ap.

El
índice Kp da un promedio de las últimas 3 horas, pudiendo variar entre 0 y 9. El
índice Ap da un promedio de las últimas 24 horas y puede variar entre 0 y 400.
Los números mayores representan tormentas de mayor intensidad en ambos casos.
cuando el número Kp excede de 5, se comienzan a emitir alertas, indicadas con el
número "G" que puede variar de 1 a 5, siendo el 5 indicador de una tormenta
extremadamente severa.

Las tormentas magnéticas destruyen la
estratificación normal de las capas dispersando los iones produciendo así la
pérdida de su capacidad refractiva usual. Pueden aparecen zonas ionizadas
aisladas e irregulares que dan lugar a condiciones de propagación inestables y
erráticas con rápidas fluctuaciones del nivel de señal (flutter. También
originan variaciones importantes en las frecuencias críticas y en la altura de
las capas; se mantiene baja la MUF hasta que las condiciones se van
normalizando. Si bien la intensidad de las tormentas suele ser mayor en los
períodos de mayor actividad solar, en los períodos de actividad baja sus efectos
suelen ser más severos y duraderos.
Cuando luego de una fulguración arriba
el chorro de partículas a los pocos minutos u horas, pueden esperarse varios
días con malas condiciones de propagación.
Recuerde: cuanto mayor es el
índice A y K peores son las condiciones. Un mayor A es indica que peor han
estado las condiciones, un mayor K cuan peor están ahora.

¿Reflexión
o refracción?


Es común explicar el proceso por el cual la ionosfera
devuelve las ondas a tierra como una "reflexión", algo similar a lo que le
sucede a un rayo de luz en un espejo, o bien imaginar que las señales "rebotan"
como una pelota en una pared. Un rebote o una reflexión sucede en general en un
lugar bien definido, por ejemplo el espejo o la pared, sin embargo las ondas en
realidad son devueltas debido al fenómeno conocido como refracción.
La
refracción se produce porque las ondas de radio o luminosas se propagan a
distinta velocidad en medios diferentes, a ella se debe que una varilla
sumergida en agua clara se vea "quebrada". La ionosfera no es una zona con
límites determinados que surge de golpe, sino que su densidad aumenta
progresivamente y al ingresar a la ionosfera las ondas van encontrando un medio
distinto y son curvadas hasta que por fin son devueltas a la tierra, desde el
punto de vista práctico todo sucede como si fueran reflejadas en un límite
preciso conocido como "altura virtual" de la capa..




Zona de silencio (skip zone)

La zona de silencio o "zona de
skip" es un área alrededor del trasmisor que no es alcanzada por la onda
ionosférica, la espacial o la terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las
señales del trasmisor.
A partir de cierta frecuencia, cuando la señal incide
sobre la ionosfera con ángulos próximos a la vertical, la atraviesa sin
reflejarse, las señales no son devueltas a la tierra y no puede establecerse
contacto entre estaciones que precisen de una reflexión en tal ángulo; a medida
que ese ángulo se hace más rasante, llega un punto en que la ionosfera si puede
reflejar la señal hacia tierra y pueden comunicar entre si estaciones situadas
entre los dos puntos que ese ángulo determina.
Supongamos que rayos más
verticales que el indicado en la figura no pudieran ser reflejados, entonces la
zona de skip o silencio es la que hay entre la la parte alcanzada por la onda
terrestre (ground wave) de la estación emisora y el punto en que la señal arriba
a la tierra reflejada por la ionosfera
Esta zona suele ser más amplia
durante la noche, en invierno y durante los períodos de menor actividad solar
debido a que en estas situaciones la densidad de la capa ionizada es menor,
haciendo imposibles los comunicados a corta distancia sobre la banda
considerada. En este caso la solución para comunicar con estaciones más cercanas
es emplear frecuencias más bajas.

Distancia de salto (hop lenght)


Es la distancia sobre la tierra que alcanza una onda de radio luego de
ser reflejada una vez en la ionosfera, la distancia de salto depende de la
altura de la capa en la cual se produce la reflexión y del ángulo de incidencia
de la onda sobre la misma. La máxima distancia de salto se producirá con una
incidencia casi rasante para una dada altura de la capa. Por ejemplo mediante la
capa F situada a una altura de unos 300 km con un ángulo de radiación vertical
de la antena de unos 4 grados, la distancia de salto será de aproximadamente
3200 km; en similares condiciones, mediante la capa E (100 km) la distancia
máxima será solamente de unos 1800 km. Se logran cubrir distancias mayores con
varios saltos. Por ejemplo podrían cubrirse unos 6100 km con un mínimo de cuatro
saltos en la capa E o dos saltos vía la capa F. Si los ángulos de radiación de
las antenas fueran mayores se requerirían más saltos para lograr estas
distancias.

Tabla de ángulo de disparo de la antena y distancia de salto
correspondiente (los valores indicados resultan de un cálculo, han de
interpretarse como aproximados). (Surge de averiguar la distancia de salto
resultante de la MUF y la altura de la capa, la MUF = Fcritica / Seno del ángulo
de incidencia de la señal)

Ang. disparo Distancia
(grados) F2 Día
(km) F2 Noche (km)
0 3220 4508
5 2415 3703
10 1932 2898
15 1450
2254
20 1127 1771
25 966 1610
30 725 1328
35 644 1127
40 564
966
45 443 805
50 403 685
69 258 443
70 153 290
80 80 145

90 0 0


Si la ionosfera fuera realmente un espejo y mediante un
reflector se pretendiera utilizarla para iluminar una zona en tierra haciendo
reflejar en ella la luz del reflector, es fácil advertir que habrá un ángulo
apropiado para lograrlo, si la luz incide más verticalmente su reflejo cae antes
del punto deseado y si la incidencia fuera más rasante la luz reflejada
sobrepasaría el objetivo. El haz (o los haces, pues pueden ser varios) de
energía de la antena (lóbulos de radiación verticales) son más o menos anchos y
por ello el ángulo no es muy crítico, pero si podemos conseguir que la porción
principal de la energía arribe a la ionosfera en el mejor ángulo, eso
favorecería a la comunicación.
Al ángulo vertical en que la antena irradia
su máxima energía se lo suele llamar "ángulo de disparo". Si de algún modo
logramos controlar ese ángulo para igualarlo al óptimo sería de gran valor.
Aunque no es fácil lograr tal control en la instalación típica de un
radioaficionado con antenas especialmente diseñadas para el propósito puede
lograrse algo con el simple expediente de subir y bajar un dipolo mediante
roldanas, pues el/los lóbulos de radiación vertical dependen fuertemente de la
altura de las antenas.

En general los ángulos más bajos de radiación de
la antena convendrán para comunicados a largas distancias y ángulos más elevados
para los comunicados locales. El diagrama de radiación vertical depende del tipo
de antena pero fundamentalmente de su altura sobre el terreno. Es un error
corriente creer que en HF no es importante la altura de la antena "porque la
señal rebota en la ionosfera". Por un lado cuando las antenas están bajas están
sujetas a mayores pérdidas por la absorción de la tierra y otros objetos sino
que el lóbulo de radiación vertical más bajo (pues pueden ser varios) tiende a
tener un ángulo menor a medida que se eleva la antena sobre el terreno y eso es
lo que se busca para comunicados a grandes distancias.

Propagación en
VHF/UHF y superiores

En las frecuencias más altas del espectro la
ionosfera ya no es capaz de reflejar las ondas de radio y prácticamente no
existen comunicaciones por su intermedio, entonces se dice que las
comunicaciones se realizan por onda directa que se mueven en líneas rectas, con
lo cual el alcance queda limitado por la curvatura de la tierra a distancias que
no exceden mucho el horizonte. En este caso la altura de las antenas cobra una
importancia mayor porque amplía ese horizonte. Como la parte baja de la
atmósfera se denomina troposfera la propagación entre estaciones sobre la
superficie de la tierra se denomina por "ondas troposféricas" (la troposfera es
la parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la tierra y
en la cual suceden los fenómenos meteorológicos comunes).


Desvanecimiento (Fading)
Cuando se reciben ondas de radio
de un mismo punto, se encuentra que la intensidad de las mismas varía
notablemente según la hora del día, la época del año etc, según se vio, pero es
común percibir una variación mucho más rápida en la intensidad que puede
producirse desde muy lentamente (minutos) hasta bastante rápidos (décimas de
segundo). Estas variaciones más o menos rápidas se conocen como
"desvanecimientos" y obedecen a diferentes causas, tales como:

* Que
varíen las condiciones físicas del medio por el cual viajan las señales
(variaciones de densidad de la atmósfera, del contenido de vapor, de iones,
etc.)
* Que lleguen al receptor distintas "copias" de la señal recorriendo
múltiples caminos (multipath). Las diferentes copias arriban ligeramente
desfasadas haciendo que se sumen o se resten sus amplitudes (diferencias de
fase). Como estos caminos están continuamente variando el efecto de atenuación o
refuerzo varía con el tiempo.
* Que se produzcan reflexiones en objetos que
están en movimiento provocando el efecto anterior (aviones, automóviles, etc.)

* Que el trasmisor y o el receptor estén en movimiento y los caminos de la
señal estén variando con el tiempo.
* Que se atenúen algunas frecuencias
mientras que otras inmediatamente cercanas no deformando las señales
(desvanecimiento selectivo).

Las causas del desvanecimiento pueden ser
muy numerosas, como se ve, pero en todos los casos producen un deterioro más o
menos pronunciado de la calidad del enlace. Aunque pueden tomarse algunas
medidas para soslayar su efecto, muchas de ellas no son fáciles de implementar
en la instalación común de un radioaficionado.

FMU, MFU, FOT (en
inglés MFU LFU OTF )


Estos conceptos son muy importantes cuando se
intentan realizar comunicaciones ionosféricas en ondas cortas, conocerlos
permitirá no solamente comprender cómo se manifestarán los efectos que se han
visto, sino preverlos y aprovecharlos prácticamente. Cuando para uno la
propagación está "mala", para otro las cosas están sucediendo de acuerdo a lo
previsto. La diferencia puede ir desde obtener una buena clasificación en un
concurso hasta saber cuál es el mejor horario par hablar con estaciones de
diversas partes del mundo en diferentes estaciones, horarios o años del ciclo
solar.

Recuerde lo siguiente: La Frecuencia Máxima Utilizable (MUF -
Maximun Usable Frequency) siempre hace referencia al contacto con un punto
determinado. Es la mayor frecuencia que se puede emplear para contactar con ese
punto, si se supera esta frecuencia, simplemente la señal "perforará" o se
perderá en la capa y no será devuelta a la tierra. Esto sucede en parte porque
cuanto más perpendicularmente incida la señal sobre la capa más fácilmente la
perforará y cuanto más rasante lo haga, más fácil será que ella pueda
reflejarla. En la figura se ve que esto es lo que sucede con los rayos fa y fm.
Recién el fb posee una frecuencia lo suficientemente baja para que la capa lo
refleje hacia el punto deseado, pero la otra figura muestra que para un punto
que precise de un ángulo del rayo algo más rasante solamente el fa perfora la
capa y fm puede ser reflejada al igual que fa

Agregar una figura con
tres rayos, 2 perforan y uno rebota

Otra figura con los mismos tres
rayos y otro punto, donde uno perfora y dos rebotan.

Figura con capa a
distinta altura.

A medida que la densidad de la capa disminuye, cada vez
es menor su capacidad para devolver la señal a tierra, por tanto a medida que se
aproxima la noche se hará necesario bajar más la frecuencia para poder mantener
contacto con el mismo punto.

Si se analiza el problema desde otro punto
de vista (viendo qué sucede si conservamos fija la frecuencia), pudiera ser que
esa frecuencia sea la máxima posible para alcanzar un punto, pero aún así
continuará siendo adecuada para puntos más distantes porque para llegar a ellos
los rayos deben alcanzar la capa de manera más rasante y en esas condiciones
ellas será capaz de reflejarlos como se ve en la figura. Comprender esto es
esencial para entender qué sucede cuando las capas pierden densidad, sea porque
es de noche, o el ciclo de actividad solar está cerca de sus mínimos.
Lo que
puede observarse de inmediato es que la zona de salto aumenta en tales
circunstancias, por lo cual solo serán posibles contactos a distancias mayores
manteniendo una dada frecuencia, dicho de otro modo: la FMU para contactar con
puntos cercano necesita ser mayor, si se mantiene la frecuencia no logrará el
contacto a esa distancia pero si a mayores, por eso, a medida que desciende la
densidad de ionización, se va perdiendo capacidad de comunicar con estaciones
cercanas y se impone disminuir la frecuencia de trabajo del circuito.


Queda claro que para contactar con cierto punto debe utilizarse una
frecuencia igual o inferior a la FMU, pero ¿porqué no operar con una frecuencia
mucho menor que la FMU y así soslayar esos inconvenientes?. Esto nos llevará a
ver la denominada Mínima Frecuencia Utilizable, pero antes veamos lo siguiente:


Frecuencia crítica


La ionosfera puede llegar a tener
densidad suficiente como para reflejar una señal aunque la misma la alcance
perpendicularmente, a medida que aumentamos la frecuencia penetra más y más
hasta que finalmente perfora la capa y ya no puede reflejarla. La máxima
frecuencia que puede reflejar la capa cuando el rayo incide perpendicularmente a
ella se llama "Frecuencia crítica de incidencia vertical" o simplemente
"frecuencia crítica". Esta frecuencia puede llegar a ser tan baja como 2 MHz por
la noche o tan alta como unos 15 MHz durante el día




Se obtiene la frecuencia crítica mediante un trasmisor que emite una
señal verticalmente para que sea reflejada por la capa, aumentando su frecuencia
hasta que desaparece la reflexión. Esa será la frecuencia crítica buscada.

Esto está íntimamente relacionado con la FMU, ya que empleando una
frecuencia menor que la crítica, en principio todos los puntos serían
alcanzables y no habrá zona de skip.
El conocimiento de la frecuencia
crítica de una capa nos permite averiguar fácilmente la Máxima Frecuencia
Utilizable (MUF, en inglés) para un enlace en particular.

Altura
virtual de la capa


Si al averiguar la frecuencia crítica se mide
tiempo de ida y vuelta de la señal puede establecerse la altura a la cuál
debería estar situada una capa imaginaria que produjera una reflexión semejante
a la producida por el efecto de refracción. Esa altura imaginaria se llama
"altura virtual". Aunque la señal sufre un proceso diferente, el efecto final es
como si la señal fuera verdaderamente reflejada en tal capa ficticia.


Mínima Frecuencia Utilizable y Frecuencia Optima de Trabajo.


A primera vista parecería que utilizando frecuencias menores que la
máxima utilizable, o aún mejor, menores que la frecuencia crítica se resolverían
todas estas situaciones, desafortunadamente no es así. Es probable que debajo de
la capa que se está tratando de aprovechar (por su mayor altura) exista otra que
también tiene capacidad para refractar señales, o bien que ellas absorban las
señales de frecuencias más bajas (por ejemplo la capa D), impidiendo que
alcancen la capa superior que les permitiría producir saltos a mayor distancia y
así, para cubrir una determinada distancia, resultarían necesarias varias
reflexiones sucesivas entre la ionosfera y la tierra, en estas condiciones la
señal puede atenuarse tanto como para no llegar con un valor adecuado en el
receptor. Lo que sucede es que a partir de la MUF hacia abajo se advierte un
deterioro progresivo en la intensidad de señales hasta que finalmente quedan
enmascaradas totalmente en el ruido atmosférico.
La menor frecuencia a la
que es posible realizar el contacto se denomina "Mínima Frecuencia Utilizable"
(LUF - Lowest Usable Frequency) y resulta de la atenuación que se produce a
frecuencias más bajas, por eso, mientras la FMU establece un límite inevitable,
la MFU puede soslayarse utilizando mayor potencia para hacer llegar al receptor
suficiente señal a pesar de la atenuación, eso no siempre será posible, tanto
por limitaciones prácticas como de requisitos reglamentarios.
Es importante
destacar que las señales más intensas habitualmente se logran cuando el enlace
se realiza utilizando frecuencias levemente más bajas que la FMU (MUF), Una
frecuencia situada aproximadamente un 15 % por debajo de la FMU se la denomina
Frecuencia Optima de Trabajo (FOT - Frequency od Optimun Transmission), porque
provee una señal intensa y estable...

NVIS (Near Vertical Incidence
Skywave) - Onda celeste de incidencia casi vertical


Este modo de
propagación se presenta cuando una señal que arriba a la ionosfera con un ángulo
de incidencia cercano a la vertical, es reflejada por ella con intensidad
suficiente como para proveer comunicaciones útiles. Como se muestra en la figura
este modo permite sortear obstáculos elevados tales como montañas o cerros. Es
un modo típicamente local. Para ser posible requiere que la frecuencia crítica
de la capa sea mayor que la de operación, pues de lo contrario la señal la
atravesará sin ser reflejada. Con este modo conviene emplear antenas cuyo
diagrama de radiación concentre la mayor energía posible en ángulos elevados (lo
contrario a lo que se busca para comunicaciones de larga distancia). En este
sentido darán buenos resultados los dipolos a baja altura (un cuarto de onda o
menos), o dipolos con un reflector parásito instalado debajo del mismo.
Si
usted está interesado en mantener buenos contactos locales en la banda de 80 o
160 m (y con reservas en la de 40 m) puede instalar una antena que aproveche
esta posibilidad o recurrir a disminuir la altura un dipolo extendido normal
mediante roldanas, si fuera necesario.




Ruido atmosférico

Extraer textos de artículo sobre ruido
de LU6ETJ

Efecto Doppler

Quien haya oído el silbato de
una locomotora o la bocina de un automóvil que se acerca, pasa frente a nosotros
y se aleja nuevamente rápidamente, habrá advertido que la frecuencia del sonido
disminuye bruscamente cuando el vehículo pasa por delante y comienza a alejarse.
Si el vehículo estuviera detenido, se notaría que la frecuencia del sonido en
reposo posee valor intermedio entre esos dos. Efectivamente, cuando la fuente de
sonido se acerca, su frecuencia es mayor, y a la inversa. No se trata de una
ilusión, sino de un fenómeno físico real que también se manifiesta con las ondas
electromagnéticas. Así, cuando una fuente de ondas de radio se está acercando su
frecuencia es mayor y viceversa. Este fenómeno se conoce como "Efecto Doppler"
en honor del Físico y matemático austríaco Christian Andreas Doppler. Gracias a
este efecto se propuso la hipótesis del universo en expansión y el "Big Bang",
pues creemos que las galaxias lejanas se alejan de nosotros tan rápidamente que
la frecuencia de la luz disminuye haciendo que todo su espectro se corra hacia
el rojo.
El efecto Doppler es muy notable cuando se emplean satélites
artificiales de aficionados de órbita baja, pues su velocidad relativa es muy
alta y en un receptor eso se convierte en un corrimiento de frecuencia muy
notable (algunos kHz) que obliga a resintonizar el equipo y causa problemas con
los sistemas de datos sensible a la frecuencia.

Propagación por
dispersión troposférica


Cambios de polarización en la reflexión
ionosférica.


En su viaje a través de la ionosfera las señales de
radio que partieron de la antena con una determinada polarización sufren cambios
importantes en la dirección y/o tipo de polarización. El campo magnético de la
Tierra hace que la ionosfera sea un medio que no presenta las mismas propiedades
en distintas direcciones (anisotropía). La señal original se subdivide en dos
ondas (denominadas onda ordinaria y onda extraordinaria) de diferente
polarización las que tienen constantes de propagación diferentes por lo que al
salir de la ionosfera se recombinan de tal manera que la polarización original
resulta cambiada, dando lugar a desvanecimientos de la señal recibida.


Rotación de Faraday

Cuando las señales tienen suficiente
frecuencia como para atravesar la ionosfera, también sufren cambios en su
polarización por efecto del campo magnético de la tierra, aún en frecuencias muy
elevadas. Este fenómeno es importante en las comunicaciones de VHF y UHF con
satélites artificiales o en rebote lunar lo que hace aconsejable el empleo de
antenas de polarización circular o doble polarización. Si no se emplean antenas
de polarización circular, el desvanecimiento por desalineación puede durar
algunos minutos.

Sistemas "diversity"
Diversity de
frecuencia

El problema del desvanecimiento de las señales puede
resolverse parcialmente aprovechando el hecho de que la señal no se desvanece
igualmente en distintas frecuencias aunque estas se hallen bastantes próximas
(lo que produce lo que los aficionados llaman coloquialmente "QSB deformante" en
radiotelefonía) y con más razón cuando se encuentran más alejadas. Esta
propiedad se aprovecha en los sistemas de radioteletipo y similares, mediante la
manipulación por desplazamiento de frecuencia FSK, como se describe en el
capítulo correspondiente, lo cual puede verse claramente con los populares
programas de PC que muestran el nivel de las señales de marca y espacio en
diferentes formatos visuales.
También están menos sujetas al desvanecimiento
aquellas trasmisiones que emplean mayor ancho de banda para transportar la
información como los sistemas de FM, aunque estos demandan anchos de banda poco
aceptables en HF.

Diversity por diferencia de situación
geográfica


Otra forma de diversity resulta del hecho de que la señal
no se desvanece igualmente en ubicaciones separadas entre si alguna longitudes
de onda. Empleando más de una antena para recepción se puede sacar provecho de
esta peculiaridad. Se aplica la señal de cada antena a varios receptores
sintonizados a la misma frecuencia y la salida de los detectores se combina de
manera tal que aquella que tiene mayor intensidad se emplea para controlar la
ganancia de todos ellos, con lo cual la que alcanza el parlante siempre proviene
de aquel que recibe con mayor intensidad.

Disversity inteligente



El abaratamiento de la tecnología de computación permite desarrollar
sistemas aun más perfeccionados controlados por sistemas con mayor inteligencia.
Con estos métodos es posible controlar la directividad vertical y horizontal de
los sistemas de antena al mismo tiempo que se aprovechan posibilidades como las
mencionadas en los dos puntos anteriores. aunque estas técnicas no son usuales
en la actividad del radioaficionado normal es ilustrativo mencionar estas
técnicas ingeniosas para alcanzar una recepción más perfecta en HF.

No hay comentarios:

Publicar un comentario