Efecto de la Troposfera

1. Efecto de la Troposfera Descripción de la Troposfera. Refracción Troposférica. Efecto conducto. Propagación por dispersión troposférica Atenuación propia de los gases Atenuación y efecto de los hidrometeoros.

2. Refracción Troposférica (I) • Las ondas de radio en la troposfera sufren refracción y dispersión debido a cambios de temperatura, presión y contenido de vapor: P, presión atmosférica (mbar); presión parcial de vapor de agua (mbar); T, temp.(K) • La expresión 1 incluye dos términos: • término seco: • término húmedo: • Índice de Refracción. • El índice es muy próximo a la unidad, aunque existe una pequeña diferencia que depende de las condiciones atmosféricas: • Por comodidad se maneja el coíndice o refractividad, definido con tres cifras enteras. • De acuerdo con la tabla 2.1 se puede ver que el aire caliente tiene mayor capacidad de contener vapor de agua que el frío y por lo tanto presenta una mayor variabilidad del índice de refracción. • Los valores de P, e y T sólo son describibles en términos estadísticos. [1

3. Descripción de la Troposfera • La troposfera, es la parte de la atmósfera, que se extiende desde el suelo hasta: 8-10 km en latitudes polares; 10-12 en latitudes medias y 16-18 en el Ecuador. • Se caracteriza porque sus condiciones de presión, temperatura y humedad varían fuertemente con la altura. En primera aproximación válida para los 2 primeros Km de altura h (en Km): • Temperatura: • Presión: • Presión parcial del vapor de agua: • La presión parcial de vapor de agua disminuye hasta que coincide con la de saturación en que precipita y se hace nula ( a partir de 2-3 km) • Efecto neto sobre N: • La trayectoria de la propagación (rayos) se analiza utilizando la Ley de Snell de la refracción en función del índice de refracción n. Formas clásicas de analizar el problema de propagación en la troposfera: • Obtención de radio equivalente y trabajo con rayos rectos. • Refractividad modificada y tierra plana.

4. Atmósferas standard • Se considera una ATMOSFERA STANDARD, definida como un valor medio de las propiedades de la troposfera. Existen varios modelos, donde h (en Km) mide la altura sobre el nivel del mar: • Modelo lineal (válido hasta 1 km) : • Modelo exponencial:

5. n1>n2>n3>n4>n5>n6 n6 n5 5 n4 4 h n3 3 n2 2 n1 1   dh dl Refracción Troposférica (II) • Curvatura del Rayo. • La dependencia del índice de refracción con la altura genera una curvatura de los rayos definida por la Ley de Snell. • El radio de curvatura (r) del rayo se obtiene diferenciando la expresión anterior y expresando el resultado en función del diferencial de longitud (dl) • Puesto que las antenas se encuentran habitualmente a alturas semejantes y para una atmósfera standard el radio de curvatura toma el valor de:

6. r25640 Km a=6370 Km T T R R Refracción Troposférica (III) • Radio Equivalente de la Tierra • Un procedimiento muy extendido en el diseño de radioenlaces consiste en tener en cuenta el efecto de la refracción troposférica modificando el radio de la Tierra (a) y suponiendo una trayectoria recta para el rayo. • El nuevo radio a’ se calcula como: a’8490 Km

7. Características del modelo radio equivalente de la Tierra • Características: • Situación de subrrefracción: • Situación de superrefracción: • Formación de conductos: • Aplicaciones: • Obtención del horizonte de radio de una antena. • Determinación de la zona libre de obstáculos. Una situación de subrrefracción puede hacer que penetren en la zona de Fresnel obstáculos que en situaciones normales no lo harían. Gráfico Griffiths

8. Modelo de Refractividad Modificada • Objetivo: modelado de tierra plana. • Estratificación vertical de la troposfera y generalización de la ley de Snell: • Introduciendo las coordenadas: se llega a la ecuación diferencial • El índice de refracción modificado es: • La refractividad modificada vale:  P d n d P0 0 h n0 r  o 0 a  n=n(). Estratificación esférica

9. Resumen de las Características de la Troposfera • Con el índice de refracción m podemos considerar una tierra ficticia plana y una troposfera ficticia con un gradiente del índice tal que los rayos trazados mantengan la misma curvatura que los rayos reales respecto a la tierra real. • Para subrrefracción, refracción normal y superrefracción la pendiente de M es >0. • La pendiente de M será negativa en el caso de formación de conductos. • Gráficos: Hall figura 2.5 y Dolukhanov tabla 3.2 • Variabilidad del índice de refracción: el valor de es un valor mediano excedido el 50% del tiempo. • Hay estadísticas que en función de un período de tiempo superado dan el valor de la variación de la refractividad.

10. Resumen de las Características de la Troposfera • Tipos de Atmósfera

11. Efecto conducto • En condiciones en que sobre una gran extensión horizontal hay un decrecimiento grande de la refractividad con la altura, las ondas de radio quedan atrapadas en el margen de alturas de dichas condiciones formando un conducto. • No es un mecanismo suficientemente estable de comunicación pero sí provoca interferencias más allá del horizonte y desvanecimientos en enlaces visuales. • Condiciones de formación de conductos: • Condición necesaria en un margen de la troposfera: • Espesor grande en función de la longitud de onda. • Extensión horizontal adecuada. • Tipos de conductos en atención a su ubicación: superficiales y elevados.

12. Clasificación de Conductos por su Formación (I) • Recordatorio: • Conductos de evaporación. • Conducto superficial estrecho sobre superficies de agua • Dos procesos: • Aire en contacto con el mar está saturado de vapor de agua. Justo encima esto no es así por lo que la variación de N con la altura es muy negativa. • Turbulencias que llevan vapor de agua a la zona superior. • Resultado neto:variación log-lineal del índice de refracción modificado. (gráfica) • Son mayores en los mares del Sur, en el verano y en las horas de la tarde. • Conductos de advección o movimiento de un tipo de aire sobre otro. • Importancia en regiones costeras o mares cerrados rodeados de tierras calientes. • Proceso: flujo de aire seco y caliente de la tierra al mar donde hay aire frío y húmedo. • Altura mayor que los conductos de evaporación y aparición después de ponerse el sol. • También son posibles sobre tierra.

13. Clasificación de Conductos por su Formación (II) • Conductos por enfriamiento de la tierra por radiación. • Hay un doble proceso que afecta a la temperatura y al vapor de agua. • Variación de la temperatura: • Inversión de la evolución de la temperatura con la altura. • Formación de un posible conducto dependiendo de la variación de e. • Variación de la presión de vapor de agua: • El vapor de agua puede condensarse formando niebla. • Descenso de la presión de vapor de agua y de la refractividad. Esto conlleva a una situación de subrrefracción que compensa la anterior. • Evolución de un conducto nocturno: gráfica 2.9 libro de Hall. • Otros mecanismos de formación de conductos. • Hundimiento de grandes masas de aire asociados con anticiclones da lugar a conductos elevados durante un 1% del tiempo en Europa. • Conductos asociados a los frentes de onda.

14. Descripción de la Propagación en un Conducto. • Propagación en conducto por medio de trazado de rayos. • Se cumple la ley de Snell generalizada: • Habrá tangente horizontal siempre que: • Figura 2.8 del libro de Hall: • Casos a y b: conducto de superficie formado por rayos directos y reflejados. • Casos c y d: región inicial con variación de la refractividad modificada positiva, no hay necesidad de reflexión en el suelo para formar la propagación. • Propagación en conducto a través de guía de onda. • Necesario un análisis modal de la guía dieléctrica que forma el conducto. • Existencia de una longitud de onda de corte. Para que exista el conducto debe cumplirse además de la condición de refractividad que no se supere una longitud de corte: • Atenuación en el conducto superior a la correspondiente a la expansión del frente de onda. • Fugas al exterior del conducto

15. Resumen del problema de formación de conductos • El conducto provoca transmisiones guiadas de baja atenuación y grandes alcances. • Por las dimensiones de los conductos (algunos metros hasta centenas de metros en situaciones excepcionales) afecta principalmente a las bandas de VHF y superiores. • Son de aparición esporádica por lo que no son útiles para un canal de comunicaciones pero si pueden ser responsables de fuertes interferencias por sobrealcances anormales

16. Reflexión en Capas de la Troposfera (I) • La existencia de transiciones abruptas entre dos regiones de la atmósfera puede producir reflexión total o parcial de la onda electromagnética. • Se considera un salto brusco cuando el margen de distancias es pequeño comparado con la longitud de onda. • La presencia de capas en la atmósfera es la causa principal de aparición de multitrayectos. • Los conductos predominan a frecuencias mayores de 500 MHz. • Las reflexiones por capas existen por debajo de 1 GHz. • Se utiliza el modelo de Fresnel suponiendo: • Discontinuidad de n es abrupta. • Discontinuidad plana y se extiende en sentido transversal. • Cuando se llama ángulo de reflexión total.

17. Reflexión en Capas de la Troposfera (II) • Factores adicionales: • La extensión del salto pueda hacerlo considerar como no abrupto. • La rugosidad de la discontinuidad. • La curvatura de la misma. • La extensión de la capa en sentido horizontal.

18. Propagación por Dispersión Troposférica (I) • Características generales: • Señal débil: la energía en el receptor es una fracción de la dispersada. • Señal fluctuante: desvanecimientos profundos a corto plazo. • Disminución efectiva de las ganancias de las antenas. • Fundamentos de la propagación por dispersión troposférica • Efectos de la difracción troposférica (gráfica Dolukhanov). • Existen bolsas de aire cuyas características son distintas del aire circundante que pueden ser modeladas como nubes que ocupan el volumen común a las dos antenas. • Modelo de propagación por dispersión troposférica. • Formulación a través de la sección equivalente de dispersión por unidad de volumen. • Datos iniciales: Ei, Hi, Si. Parámetro observado: Es. • Definición: Cociente entre la potencia que tendría que radiar isotrópicamente el objeto para producir el campo disperso Es y la densidad de potencia incidente. • Potencia en el punto P: • Potencia que llega al receptor:

19. Propagación por Dispersión Troposférica (II) • Sección de dispersión por unidad de volumen: • Expresiones empíricas para un enlace por dispersión troposférica: • Pérdidas en espacio libre, Friis: • Pérdidas por dispersión: Yeh • Pérdida por acoplamiento de antenas al medio: • Variaciones lentas de la señal dispersada por la troposfera. • Los valores obtenidos anteriormente son valores medios por lo que se necesitarán correcciones. La distribución de los valores de potencia es normal. • Variación rápida de la señal dispersada por la troposfera. • Mejora por diversidad para disminuir la fluctuación de la señal: espacial, frecuencia, cuádruple, polarización y angular.

20. Atenuación debida a los Gases de la Troposfera • Las moléculas de aire (vapor de agua y O2) absorben radiación electromagnética de forma significativa a frecuencias por encima de 15 GHz. Esta atenuación presenta una serie de máximos que son: H2O: 22.5, 183 y 320 GHz. O2: 60 y 119 GHz. • En general la atenuación debida a los gases puede ponerse como (fig 3.14 Hall): • El CCIR proporciona curvas de los anteriores parámetros en condiciones normales (1 atmósfera, 20º y humedad 7.5 g/m3). Para otros valores de humedad: • Las curvas son válidas para dirección cenital y para la humedad standard. • En el caso de una humedad distinta se puede interpolar y extrapolar en las curvas. • En caso de un ángulo de elevación mayor de 5º se puede obtener aproximadamente la atenuación multiplicando por la cosecante del ángulo.

21. Atenuación propia de los gases y por hidrometeoros • La atmósfera apenas introduce ninguna atenuación por debajo de los 3 GHz, a excepción de los fenómenos ionosféricos. • Por encima de 3 GHz aparece: • Atenuación por lluvia. • Atenuación por niebla. • Atenuación por resonancias moleculares. • Las curvas del ITUR dan el valor de atenuación para trayectos horizontales próximos a tierra. dB/Km A- Atenuación específica de la lluvia B- Atenuación específica de la niebla C- Atenuación por los componentes gaseosos

22. Influencia de los Hidrometeoros • Existencia de partículas líquidas o sólidas que producen un doble efecto: • Absorción: agua y hielo son medios dieléctricos imperfectos que disipan tanto más cuanto mayor es la frecuencia. • Dispersión: la permitividad compleja del agua es muy distinta de la del aire por lo que se dispersa energía en todas las direcciones. Parámetros n y p de propagación: gráfica de Hall. • Gráfica de la página 20 compara los efectos de los hidrometeoros con los gases en la propagación de radio: • Se aprecia el efecto de gases, niebla y lluvia. • El efecto de niebla y lluvia afecta en las frecuencias mayores mientras que en los gases es permanente. • El efecto de la nieve y el hielo es menor por dos razones: la constante p es mucho más pequeña y el contenido por unidad de volumen en agua es bastante menor. • Se necesitan estadísticas de precipitaciones para realizar un estudio apropiado de la propagación.

23. Atenuación debida a la lluvia • Depende fuertemente del tamaño de las gotas y de su deformación al caer y de la cantidad global de agua en el aire. Debido a la dificultad de medir los anteriores parámetros se expresa la atenuación en función de la intensidad de lluvia (I) medida en mm/h. • Varía con la frecuencia hasta unos 100 GHz. • Depende algo de la polarización (H-V). La gráfica adjunta es un valor medio, • Se produce por: • La disipación por efecto Joule debido al comportamiento del agua como dieléctrico imperfecto. • La dispersión de la energía en direcciones diferentes a la de propagación. • Se aproxima como:

24. Despolarización • En el extremo receptor existe una cierta componente con polarización ortogonal a la transmitida. • Este efecto se suele caracterizar mediante el parámetro XPD (discriminación por polarización cruzada): • XPD depende de la atenuación total experimentada por la lluvia: • Esta expresión es válida para enlaces horizontales. En caso de no ser así hay que añadir un factor correspondiente a la elevación: -40log(cos ). • Existen estadísticas que comparan polarización horizontal y vertical en presencia de lluvia.

25. Características de la Propagación en presencia de lluvia • La atenuación asociada a enlaces atmosféricos no puede considerarse constante. • Necesidad de estadísticas de propagación que deben cumplir: • Tiempos de integración han de ser muy cortos. • Gran variabilidad de lluvias intensas. • Períodos de observación muy extensos: superiores a 10 años. • El CCIR divide el mundo en 5 zonas climáticas a efectos de estadísticas de precipitación: • Ordenadas: valores de precipitación excedidos un porcentaje de tiempo indicado en abscisas. • Hay puntos en que no está contrastado por la experiencia.

26. Atenuación total de atmósfera clara para comunicaciones por satélite • La atenuación total de la atmósfera depende de la inclinación del trayecto, puesto que las atenuación específica por gases es función de la altura. • Se caracteriza una atenuación total por gases en un trayecto cenital, y se obtiene la atenuación para trayectos inclinados un ángulo  como: • El seno de  mide la diferencia de trayectos dentro de la atmósfera entre el rayo inclinado y el rayo cenital Atenuación total cenital A(90º)