TEMA I I I

1. TEMA I I I Radiocomunicaciones en la Banda de Ondas Decamétricas(Banda HF / 3 a 30 MHz)

2. SUMARIO Introducción Características Potencialidades Métodos de transmisión Antenas y alimentadores Propagación en la banda HF Frecuencia mínima y máxima utilizable Frecuencia óptima Acopladores de Antenas

3. Introducción La característica distintiva de las ondas de radio de MF y HF ( de 0,3 a 3 MHz y de 3 a 30 MHz respectivamente) es la capacidad de comunicar a distancias de miles de kilómetros. Una vez alcanzado el horizonte óptico las señales se refractan en la ionosfera y alcanzan nuevamente la superficie a distancias considerables.

4. Introducción La distancia de salto depende de la frecuencia y de las propiedades de la ionosfera, que inclusive durante la noche, posee características muy favorables. Se denomina FMU a la Frecuencia Máxima Utilizable que se refleja en la alta atmósfera para regresar a la superficie a miles de kilómetros del origen.

5. Introducción La FMU es variable día a día y según la irradiación solar, siendo de 10 MHz como mínimo y de 65 MHz o más con máxima actividad solar. Una de las características de la actividad solar es que logra aumentar la FMU aunque puede disminuir en forma repentina.

6. Consideraciones de Frecuencia y Longitud de Onda Para las ondas decamétricas las longitudes de ondas comprendidas son: Tienen longitudes de onda en el orden de la decenas de metros

7. Características de las Ondas decamétricas El rango de frecuencias de 3 a 30 MHz, corresponde a la banda de HF. La propagación se realiza por onda de espacio para distancias cortas (inferiores a 150 Km). La difracción en obstáculos o refracción atmosférica pueden extender el alcance más allá de la visibilidad directa entre transmisor y receptor.

8. Características de la Ondas decamétricas La reflexión ionosférica en las capas E y F posibilita grandes alcances (varios miles de kilómetros). La propagación ionosférica presenta desvanecimientos y variaciones horarias y estacionales.

9. Características de la Ondas decamétricas Es de destacar que en esta banda existe una zona intermedia denominada zona de silencio que no puede ser cubierta ni por onda de espacio ni por reflexión ionosférica. Las ondas en este rango de frecuencias se conocen con el nombre de ONDAS CORTAS, debido a que su longitud de onda está comprendida entre 10 y 100 metros.

10. Otras Potencialidades Estos sistemas permiten que los dispositivos de radio instalados, sean independientes y se realicen: La comunicación telefónica simultánea por uno o cuatro canales. La comunicación telegráfica por uno o seis canales independientes a una velocidad de 200 baud. Fascímil por uno o cuatro canales al mismo tiempo; utilizando los dispositivos de radio modernos, con modulación SSB, y los dispositivos de multiplexación para la transmisión de información discreta con velocidad hasta 12 000 bit/s.

11. Métodos de Transmisión Los métodos de transmisión utilizados por los sistemas de HF son los siguientes: Métodos de transmisión para la información discreta (telegrafía). Métodos de transmisión para la señal telefónica. Métodos de transmisión de facsímil.

12. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores  Generalmente, la anchura de los lóbulos principales de los diagramas direccionales de las antenas de ondas cortas (decamétricas), no debe ser inferior de 20º o 30º en el plano vertical 10º o 15º, en el horizontal A menudo estas antenas se construyen, con Polarización Horizontal con el objetivo de disminuir las pérdidas en las antenas trasmisoras y mejorar la relación señal- ruido en las antenas receptoras.

13. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores ¿Siempre se usa la misma Frecuencia? La estructura de la ionosfera, los fenómenos inherentes a su formación y las fluctuaciones que tienen lugar en el plasma, obligan al cambio de la frecuencia de operación del sistema. Es por ello que las antenas que se emplean en esta banda de frecuencias (3-30 MHz), deben ser poco sensibles a los cambios mencionados.

14. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores DESVANECIMIENTO: USO DE LA DIVERSIDAD Los desvanecimientos se combaten mediante el empleo de técnicas de diversidad en la recepción, utilizándose varias antenas (y receptores) que trabajen simultáneamente, situadas a lo largo de la dirección de incidencia de las ondas, a distancias del orden de 300 m (separación en espacio) o dispuestas en un lugar, pero que tienen polarización ortogonal (diversidad de polarización).

15. Ionosfera Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores Tx Tx 1 Tx 2 Tx 3 Diversidad de Espacio

16. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores Diversidad de Polarización Polarización Vertical Polarización Horizontal

17. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores TIPOS DE ANTENAS UTILIZADAS Las antenas que operan en estos sistemas son estructuras sintonizadas, tales como los dipolos y otros y los arreglos de conductores con sintonía múltiple.

18. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores TIPOS DE ANTENAS UTILIZADAS Ejm: Antenas dipolo con una impedancia de entrada balanceada (300, 600 Ohm) y una desbalanceada (50, 75 Ohm). Antenas rómbicas con impedancia de entrada entre los 400 y 800 Ohm (balanceado) Antenas logarítmicas de dipolos) impedancia de entrada balanceada de alrededor de 300 Ohm

19. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores

20. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores

21. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores TIPOS DE LINEAS DE ALIMENTACION DE ANTENAS Las líneas de alimentación de los sistemas de radiación pueden ser coaxiales, seudo coaxiales y simétricas, de dos y cuatro hilos, lo cual depende, en gran medida de la función que realiza la antena.

22. Características Generales de las Antenas y de los Alimentadores

23. Análisis de la Ionosfera para la banda HF DURANTE EL DIA La capa D, que es máxima al mediodía absorbe totalmente las señales entre 1 y 10 MHz emitidas desde la tierra, de manera que éstas no llegan a la capa F para ser reflejadas. Debido a estos comportamientos, durante las horas del día las comunicaciones en las bandas de 1,8 MHz y de 3,5 MHz se limitan notablemente a algunos cientos de kilómetros.

24. Análisis de la Ionosfera para la banda HF Las señales superiores a los 20 MHz atraviesan todas las capas, incluida la F1 y pueden llegar a la capa F2, que mediante reflexión retornan a la tierra. Durante el invierno, al mediodía, la capa F1 desaparece y de esta manera la capa F2 refleja señales de frecuencias más elevadas.

25. Análisis de la Ionosfera para la banda HF DURANTE LA NOCHE Sin radiación solar las capas F1 y F2 se juntan y forman una sola, la capa F, entre 300 y 400 Km sobre la superficie de la tierra, débilmente ionizada, refleja las señales de hasta 10 MHz aproximadamente, mientras que el resto de las señales se pierden en el espacio exterior.

26. Análisis de la Ionosfera para la banda HF DURANTE LA NOCHE Durante periodos de máxima actividad solar, con ionización nocturna intensa, las señales superiores a los 14 MHz e incluso las de 50 MHz se pueden reflejar en esta capa. La distancia a cubrir en un solo salto es de cómo minino 4000 km y se logran distancias mayores mediante saltos múltiples.

27. Propagación de Ondas Decamétricas La propagación de ondas en la banda decamétrica, se realiza a través de la propagación ionosférica. Como es conocido, la atmósfera se descompone en capas: D, E y F. Estas capas dependen de varios factores, pero fundamentalmente de las manchas solares. Es recomendable retomar los conceptos asociados a la propagación ionosférica ya estudiados.

28. Propagación de las señales decamétricas CONSIDERACION: Para la realización de cualquier cálculo radioeléctrico es necesario conocer y analizar los parámetros que influyen sobre él y que pueden, en un momento determinado, favorecer o perjudicar la propagación.

29. Propagación de las señales decamétricas Por ejemplo: Para que sea útil, el nivel de una señal recibida debe rebasar en un valor suficiente el nivel de los ruidos naturales o artificiales. Por otra parte, una disminución de la frecuencia va normalmente acompañada de una disminución de la potencia disponible de la señal y de un aumento de la potencia del ruido, o sea, disminuye la relación señal-ruido.

30. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Las ondas cortas pueden propagarse en forma de ondas de tierra y ondas de espacio. Los transmisores en esta banda producen poca señal de ondas de tierra, ya que a estas frecuencias la onda se atenúa rápidamente y su intervalo de propagación es solo de una decena de kilómetros.

31. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Estos transmisores utilizan más la señal de propagación por espacio, lo cual es capaz de sufrir múltiples reflexiones en la ionosfera y puede cubrir distancias largas, pues las atenuaciones son insignificantes. En condiciones normales, las regiones D y E absorben la energía de la onda de espacio en la banda de ondas cortas y la región F las refleja de nuevo hacia la Tierra.

32. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas La densidad electrónica de la región E es insuficiente para reflejar ondas cortas. Por otra parte, la atenuación debida a la reflexión en la capa F2 es considerablemente menor que la que se experimenta a medida que la onda viaja en ambos sentidos a través de las regiones D y E (sube y baja).

33. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Refleja la señal Capa F2 Capa F1 Capa E Absorben la Energía Capa D La densidad electrónica diurna de la capa F2, es aproximadamente diez veces más grande que la de la región E.

34. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción La ionosfera es un medio no homogéneo, el coeficiente de absorción , varía de punto a punto en la trayectoria de propagación, la absorción total a lo largo de la trayectoria completa, estará dada por: Donde: Tes la absorción total en la trayectoria  es el coeficiente de absorción L, la distancia recorrida por la onda. La integral se debe tomar a lo largo de la trayectoria completa recorrida por la onda en la ionosfera.

35. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción El coeficiente de absorción esta dado por: donde: Siendo: 1y 1 son respectivamente la permitividad y conductividad del aire ionizado, w frecuencia en radianes y c la velocidad de la luz.

36. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción Los valores de 1 y 1 se pueden determinar por: (Ecuación 7) (Ecuación 8) donde N: es la densidad electrónica o número de electrones libres por unidad de volumen (1 m3 ) de aire r: la frecuencia de colisiones (número de choques por segundo entre los electrones y las moléculas neutras).

37. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción CONSIDERACION: Con los valores que N y r tienen en la región E y en las capas F2 para la banda de onda corta, la densidad de la corriente de desplazamiento es mucho mayor que la densidad de la corriente de convección. Si se escribe esto como 60 1 << 1` se puede llegar a la ecuación simplificada: (Ecuación 9) donde:

38. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción Por tanto, como una buena aproximación se puede hacer 1`  1 en la ecuación 9 y sustituyendo la ecuación 8 en la 9 y teniendo en cuenta que w2 > > r2 , se tiene que (Ecuación 10) Esta ecuación muestra que el coeficiente de absorción en la ionosfera es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Para una frecuencia dada, el grado de absorción está dado por el producto de la densidad electrónica y la frecuencia de choque.

39. Procesos físicos en la propagación de Ondas CortasCoeficiente de Absorción Tabla comparativa de densidades electrónicas El coeficiente de absorción para las ondas cortas, en la región E es aproximadamente cien veces más grande que para la capa F2.

40. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Para las comunicaciones de radio que utilizan ondas cortas, se deben satisfacerse dos condiciones simultáneamente, las cuales son: Condición Nro. 1: La frecuencia utilizada debe ser menor que el máximo valor permisible que se ha determinado para una trayectoria de propagación y para una ionización dada de la capa de reflexión.

41. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Condición Nro. 2: La absorción de las ondas en las regiones D y E no debe ser grande, es decir, la intensidad de la señal entregada por los transmisores y las antenas ordinarias debe ser suficiente para una recepción confiable. La primera condición, limita la banda utilizable de frecuencia por arriba, mientras que la segunda condición lo hace por debajo.

42. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Teniendo en cuenta ambas consideraciones, se tiene la tabla resumen, la cual indica el horario de uso según la longitud de onda utilizada: Esto se debe a que la densidad electrónica diurna de la capa F2 es muy elevada y puede reflejar las frecuencias más altas.

43. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Detalles adicionales: Las frecuencias más altas experimentan una absorción insignificante en las regiones D y E, las cuales están altamente ionizadas durante el día.

44. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Recordemos....

45. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Detalles adicionales: La densidad electrónica nocturna en la capa F2 disminuye y, por tanto, deben disminuirse también las frecuencias utilizadas, para poder satisfacer el primer requisito.

46. Procesos físicos en la propagación de ondas cortas Detalles adicionales: Por la noche, sin embargo, la densidad electrónica en la región E se reduce, mientras que en la D desaparece totalmente, debido a lo cual la atenuación será insignificante aún para las frecuencias más bajas de la banda de onda corta.

47. Frecuencias Mínima y Máxima utilizables Para las líneas de radio de gran longitud no es posible utilizar cualquier frecuencia con vistas a establecer las comunicaciones por vía ionosférica, es necesario determinar la parte del ESPECTRO UTILIZABLE para una propagación ionosférica, para un PERÍODO MÁS O MENOS LARGO, y establecer los límites de éste para diferentes líneas de radio.

48. Frecuencias Máxima Utilizables El límite superior corresponde a la Máxima Frecuencia Utilizable (MUF), que se define como la mayor frecuencia que puede ser utilizada en un circuito radioeléctrico. Su valor depende de fenómenos naturales tales como: números de manchas solares, distancia, ubicación geográfica, estación del año y hora del día.

49. Frecuencia Óptima de Trabajo: FOT Brinda la probabilidad de comunicación en un 50% del tiempo, debido a lo cual generalmente se emplea la Frecuencia Óptima de Trabajo (FOT), que es menor que la MUF y asegura las comunicaciones en un 90% del tiempo. Las ondas con frecuencias mayores que la MUF atraviesan las capas de la ionosfera y no se reflejan en dirección de regreso a la Tierra.

50. Frecuencias Mínima Utilizable La Frecuencia Mínima Utilizable (FMU) representa el menor valor de frecuencia que puede ser utilizado en un circuito dado. Este valor está determinado por la potencia del transmisor y otros factores técnicos de la línea de radioenlace.