PROPAGACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

• Actualmente, en los sistemas de comunicaciones basados en frecuencias no es práctico el uso de hilos para interconectar dos equipos en forma física debido a las grandes distancias que se deben recorrer para alcanzarse mutuamente.

• La propagación de ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia (RF).

• Las ondas electromagnéticas en el espacio libre pueden viajar a la velocidad de la luz. Sin embargo, en la atmósfera se producen perdidas en la señal que en el vacío no se encuentran.

• Las ondas electromagnéticas transversales se pueden propagar a través de cualquier material dieléctrico incluyendo el aire. No obstante, las ondas no se propagan bien a través de conductores con pérdidas como el agua de mar, debido a que los campos eléctricos en este tipo de materiales hacen que fluya corrientes que disipan con rapidez la energía de las ondas.

• Las ondas de radio se consideran ondas electromagnéticas como la luz y al igual que ésta, viajan a través del espacio libre en línea recta con una velocidad de 300,000,000 metros por segundo. Otras formas de ondas electromagnéticas son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

• Las ondas de radio se propagan por la atmósfera terrestre con energía transmitida por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena receptora. La radiación y la captura de esta energía son funciones de las antenas y de la distancia entre ellas

POLARIZACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

• Una onda electromagnética contiene un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí.

• La polarización de una onda electromagnética plana no es más que la orientación del vector de campo eléctrico con respecto a la superficie de la tierra; es decir, respecto al horizonte.

• Polarización Horizontal: Si el campo eléctrico se propaga en dirección paralela a la superficie de la tierra.

• Polarización Vertical: Si el campo eléctrico se propaga perpendicularmente a la superficie terrestre.

• Polarización Circular: Si el vector de polarización gira 360º a medida que la onda recorre una longitud de onda por el espacio y la intensidad de campo eléctrico es igual en todos los ángulos de polarización.

• Polarización Elíptica: Cuando la intensidad de campo eléctrico varia con cambios en la polarización .

RAYOS Y FRENTES DE ONDAS• Una onda electromagnética es invisible y difícil de analizar en forma

directa; por tal razón, se deben utilizar métodos alternativos de análisis para describir su comportamiento y poder realizar un análisis aproximado de su comportamiento.

• Los conceptos de rayo y frentes de ondas son mecanismos alternativos que permiten ilustrar los efectos de la propagación de ondas electromagnéticas en el vacío.

• Rayo: es una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética, son comúnmente utilizadas para mostrar la dirección relativa de una onda o de múltiples ondas.

• Frente de onda: representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante; este se forma cuando se unen puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente.

• FRENTE DE ONDA PRODUCIDO POR UNA FUENTE PUNTUAL

• FRENTE DE ONDA PLANA

DENSIDAD DE POTENCIA• Las ondas electromagnéticas representan el flujo de

energía en la dirección de propagación.• Densidad de potencia es la rapidez con la cual la energía

pasa a través de una superficie dada en el espacio libre.• La densidad de potencia es la energía por unidad de tiempo

y por unidad de área y se expresa en watts por metro cuadrado.

• La intensidad de campo es la intensidad de los campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética que se propaga en el vacío.

• El campo eléctrico se expresa en voltios por metro y el campo magnético en amperios por metro.

P=E*H

P= Densidad de potencia (W/m2)

E= Intensidad rms del campo eléctrico (Volt/m)

H= Intensidad rms del campo magnético (Amper/m)

La expresión que permite calcular la densidad de potencia es: 

P=E*H

IMPEDANCIA CARACTERISTICA DEL ESPACIO LIBRE

• Una onda electromagnética que se propaga por el espacio consiste en campos eléctricos y magnéticos, perpendiculares entre sí.

• Las intensidades de campo eléctrico y magnético de una onda electromagnética en el espacio libre se relacionan a través de la impedancia característica.

LEY DE OHM PARA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

IMPEDANCIA DE UN MEDIO NO MAGNÉTICO.

• En la mayoría de los medios en los que se propagan las ondas electromagnéticas, la permeabilidad es la misma que la del espacio libre y la permitividad se da como una constante dieléctrica . Por lo tanto la impedancia de un medio no magnético es:

FRENTE DE ONDA ESFÉRICO Y LEY DEL CUADRADO INVERSO

• Frente de onda esférico

• Ley del cuadrado inverso. Esto quiere decir que, si por ejemplo, se duplica la distancia a la fuente, la densidad de potencia decrece en un factor de 4.

EJERCICIOS

EJERCICIO 1. Determinar, para una antena isotrópica que irradia 100 W de potencia:a.Densidad de potencia a 1000 m de la fuente.b.Densidad de potencia a 2000 m de la fuente.

EJERCICIO 2. Determine la impedancia característica del polietileno, que tiene una constante dieléctrica de 2,3.

EJERCICIO 3. La resistencia de campo eléctrico del aire es cercana a 3 MV/m. Es posible la formación de arcos a resistencia de campo mayores. Cuál es la densidad de potencia máxima de una onda electromagnética en el aire?.

ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS

• Atenuación: Sucede cuando las ondas se propagan por el espacio libre, se dispersan y resulta una reducción de la densidad de potencia. Este fenómeno se presenta tanto en el vacío como en el espacio terrestre.

• Pérdida por absorción: Dado que la atmósfera terrestre no es un vacío, contiene partículas que pueden absorber energía electromagnética y se produce una reducción de potencia.

ATENUACIÓN

• A medida que se aleja un frente de onda de la fuente, el campo electromagnético que irradia la fuente se DISPERSA (la cantidad de ondas por unidad de área es menor).

• La reducción de densidad de potencia con la distancia equivale a una pérdida de potencia y se suele llamar atenuación de onda.

ABSORCIÓN• La atmósfera terrestre no es un vacío, está formada

por átomos y moléculas de diversas sustancias gaseosas, líquidas y sólidas.

• Cuando una onda electromagnética se propaga a través de la atmósfera terrestre, se transfiere energía de la onda a los átomos y moléculas atmosféricos.

• La absorción de onda por la atmósfera es análoga a una pérdida de potencia I2R.

• Una vez absorbida, la energía se pierde para siempre, y causa una atenuación en las intensidades de voltaje y campo magnético, y una reducción correspondiente de densidad de potencia.

ABSORCIÓN

• La absorción de las radiofrecuencias en una atmósfera normal depende por lo general de su frecuencia, y es relativamente Insignificante para frecuencias inferiores a 10 GHz.

ABSORCIÓN

• La atenuación de ondas debida a la absorción no depende de la distancia a la fuente de radiación, sino más bien a la distancia total que la onda se propaga a través de la atmósfera.

• Las condiciones atmosféricas anormales, como por ejemplo lluvias intensas o neblina densa, absorben más energía que una atmósfera normal.

ABSORCIÓN• Cuando una onda de radio se estrella con un obstáculo,

parte de su energía se absorbe y se convierte en otro tipo de energía, mientras que otra parte se atenúa y sigue propagándose.

• La atenuación aumenta cuando sube la frecuencia o se aumenta la distancia.

• Cuando la señal choca con un obstáculo, el valor de atenuación depende considerablemente del tipo de material del obstáculo. Los obstáculos metálicos tienden a reflejar una señal, en tanto que el agua la absorbe.

• El debilitamiento de la señal se debe en gran parte a las propiedades del medio que atraviesa la onda.

ABSORCIÓN

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO

• Las ondas electromagnéticas están sometidas a una serie de efectos: Absorción, Atenuación, Reflexión, Difracción, Refracción e Interferencia.

• Las ondas electromagnéticas se les puede relacionar con propiedades ópticas, debido a que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas de alta frecuencia regidas por las ecuaciones de Maxwell.

REFRACCIÓN• La refracción electromagnética es el cambio de dirección de un rayo

al pasar en dirección oblicua de un medio a otro con distinta velocidad de propagación.

• La velocidad de propagación de una onda electromagnética es inversamente proporcional a la densidad del medio en que se propaga.

• El grado de refracción que hay en la interface entre dos materiales con diferentes densidades se puede calcular fácilmente dependiendo de un parámetro conocido como el índice de refracción de cada material.

• El índice de refracción para un material se puede calcular como la relación entre la velocidad de la luz en el espacio vacío y la velocidad de propagación de la luz a través del medio correspondiente es:

REFRACCIÓN

REFRACCIÓN EN UNA FRONTERA PLANA ENTRE DOS MEDIOS

REFRACCIÒN DE UN FRENTE DE ONDA EN UN MEDIO CON GRADIENTE

• Se presenta la refracción cuando un frente de onda se propaga en un medio que tiene un gradiente de densidad, perpendicular a la dirección de propagación, es decir, paralelo.

• Un Gradiente de densidad es un medio de transmisión que tiene una variación gradual en su índice de refracción.

REFRACCIÒN DE UN FRENTE DE ONDA EN UN MEDIO CON

GRADIENTE

REFLEXIÓN• Cuando una onda electromagnética choca en el limite entre dos

medios de transmisión diferentes, una parte de la onda es refractada alcanzando a traspasar el material con el cual se produjo el choque y parte de la onda es reflejada o regresada sin alcanzar ingresar al siguiente material.

• No todas las ondas reflejadas alcanzan a traspasar el segundo material, entonces mantienen la misma velocidad de propagación que presenta la onda incidente.

• El ángulo con el cual incide el haz con respecto a la normal será igual al ángulo de reflexión con respecto a la normal.

• La amplitud del campo reflejado es menor que la amplitud del campo incidente.

• La relación entre las intensidades del voltaje reflejado y el voltaje incidente, se le denomina coeficiente de reflexión, el cual es adimensional y depende no solamente de las intensidades de voltaje sino también que los ángulos incidente y reflejado.

REFLEXIÓN

REFLEXIÓN

• Reflexión Difusa: Cuando un frente de onda choca en una superficie irregular, se dispersa en muchas direcciones.

• Reflexión especular: (espejo) Cuando la reflexión ocurre en una superficie perfectamente lisa.

• Reflexión en superficies semiasperas: Mezcla entre difusa y especular.

REFLEXIÓN

• El criterio de Rayleigh establece que una superficie semiáspera refleja como si fuera una superficie lisa siempre que el coseno del ángulo de incidencia sea mayor que ƛ/8d, donde d es la profundidad de la irregularidad de la superficie, y ƛ es la longitud de la onda incidente.

DIFRACCIÓN• La difracción consiste en una redistribución de la

energía dentro de un frente de onda, al pasar cerca de la orilla de un objeto opaco.

• La difracción es el fenómeno que permite que las ondas luminosas o de radio se propaguen en torno a esquinas.

• Cuando un frente de onda pasa cerca de un obstáculo o discontinuidad cuyas dimensiones sean de tamaño comparable a una longitud de onda, es necesario recurrir al principio de Huygens, que se puede deducir de las ecuaciones de Maxwell.

• El Principio de Huygens, que establece que todo punto sobre determinado frente de onda esférico se puede considerar como una fuente puntual secundaria de ondas electromagnéticas.

INTERFERENCIA• Se presenta siempre que dos o mas ondas ocupan el mismo punto

del espacio en forma simultánea.• La interferencia consiste en el acto de oponerse o como su nombre

lo indica interferir con la forma normal de una onda.• Esta se produce siempre que se combinen dos o más ondas

electromagnéticas provocando con ello alteraciones en la forma original de la señal, degradando el óptimo funcionamiento del sistema.

• La interferencia obedece al principio de la superposición lineal de las ondas electromagnéticas, el cual se presenta cuando dos o más ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simultánea.

• Este principio explica que la intensidad total de voltaje en un punto dado en el espacio, corresponde a la sumatoria vectorial de cada una de las señales incidentes.

INTERFERENCIA

• En el punto X las dos ondas ocupan el mismo lugar en el espacio. Sin embargo la onda B ha recorrido una trayectoria diferente a la de la onda A y, en consecuencia, sus ángulos de fase relativos pueden ser distintos.

INTERFERENCIA

• Si la diferencia de distancias recorridas es un múltiplo entero impar de la mitad de la longitud de onda, se presenta la anulación total.

• Si la diferencia es un múltiplo entero par de la mitad de la longitud de onda, tiene lugar un reforzamiento.

INTERFERENCIA

• Lo más probable es que la diferencia de distancias sea intermedia entre las dos, y se produce una anulación o reforzamiento parcial.

• Para frecuencias menores que VHF, las longitudes de onda relativamente grandes evitan que la interferencia sea un problema apreciable. Sin embargo, con UHF o más, la interferencia ondulatoria puede ser grave.

EJERCICIOS

• Una onda de radio se mueve del aire ( ) al vidrio ( ). Su ángulo de incidencia es 30 grados. Cuál es el ángulo de refracción?