lunes, 9 de marzo de 2009

2.18.2 Teoria Basica de Radio

CONCEPTO DE ONDA DE RADIO
Las ondas de radio por las cuales nos comunicamos son originadas en un dispositivo conocido como transmisor. Si los mensajes que vamos a transmitir son simples, como por ejemplo código Morse compuesto por puntos, y líneas en código, solo necesitamos un transmisor simple, el cual solo consistirá de los componentes básicos para generar una onda de radio llamada portadora, y un amplificador para incrementar la fuerza de la onda. Si el mensaje a trasmitir esta compuesto por voz o por señales mas complicadas, se utilizan otros métodos, el transmisor necesitaría tener una sección de modulación, la cual cambiaria la forma de la portadora a una forma de onda mas compleja, en relación con la señal a ser transmitida.

La onda radial generada por el transmisor viaja a través de un cable o de otro conductor conocido como línea de transmisión hacia una antena transmisora la cual irradia la señal hacia el espacio. Las antenas receptoras están ubicadas en la misma dirección por la que viajan las ondas, absorben parte de esta energía transmitida y la envían al receptor a través de una línea de transmisión.

Antes de continuar, seguiremos discutiendo los principios de la radiación de ondas para ayudarle a entender la naturaleza de las mismas. El concepto de ondas de radio puede ser visualizado cuando se deja caer una piedra en un recipiente de agua. Cuando la piedra entra en el agua, se crea un disturbio en la superficie, lo que causa que el agua se mueva de arriba abajo, como se muestra en la ilustración. En este punto, el disturbio se transmite sobre la superficie del recipiente con la forma de círculos de ondas que se van expandiendo.

El agua no se esta moviendo desde el punto del impacto hacia fuera; si una pequeña hoja o un palillo se coloca sobre la superficie de el agua, este no tendrá ningún movimiento hacia los lados, simplemente se moverá hacia arriba y hacia abajo cuando cada onda pase bajo de el. El tipo de onda producida por el agua es llamada onda transversal. Las ondas electromagnéticas radiadas por una antena transmisora son ejemplos de ondas transversales.

CARACTERÍSTICAS DE LA ONDA DE RADIO
La forma básica de la onda portadora generada por el transmisor es de una onda sinusoidal. La onda transversal que es radiada en el espacio, podría o no mantener las características de onda sinusoidal, dependiendo del tipo de modulación que se le aplique. Un conocimiento de las características básicas de las ondas será suficiente para entender el contenido de esta lección. Las características que son consideradas importantes están discutidas a continuación.

FRECUENCIA

Se refiere al número de ciclos de una onda que son completados en un segundo como frecuencia de la onda. Por ejemplo, 60 ciclos de la corriente alterna ordinaria ocurren cada segundo, entonces se dice que la corriente de la casa tiene una frecuencia de 60 ciclos por segundo. En el caso de ondas en movimiento, como las ondas de radio, la frecuencia puede ser tomada como el número de ciclos de la onda que llega hasta un punto determinado en un segundo.

En la ilustración anterior, mostrábamos dos ciclos, los cuales ocurrían en el periodo de un segundo; por esto se dice que esa onda tiene una frecuencia de 2 ciclos por segundo. Si, en vez de dos ciclos, ocurrieran cuatro en un segundo, la frecuencia seria 4 c/s. En 1967, en honor al físico alemán Heinrich Herz, se designo el termino hertz para la unidad de frecuencia, es decir, en vez del termino ‘ciclos por segundo’.

Actualmente, el rango de frecuencia utilizado para corriente alterna esta entre 15 a 30.000.000.000 hertz. Para evitar el uso inconveniente de números tan grandes, la frecuencia normalmente se expresa en miles de hertz (kilohertz o kHz), millones de hertz (megahertz o MHz), y billones de hertz (gigahertz o GHz). Por ende una frecuencia de 5.000.000 hertz puede ser representada simplemente ya sea por 5.000 kHz o 5 MHz.

Las frecuencias que están entre 15 y 20 kHz son llamadas audio frecuencias (AF). Estas frecuencias son audibles a los seres humanos e incluyen todos los sonidos que escuchamos durante el día. Por ejemplo, el habla promedio tiene una frecuencia de 128 Hertz, la voz de un cantante soprano puede llegar hasta 1300 hertz.
Las frecuencias que van entre 30 kHz y 300 Ghz son llamadas radio frecuencias (RF) porque estas son las mas comúnmente usadas en las comunicaciones por radio. El espectro de radio frecuencias esta dividido en 8 bandas de frecuencia, cada una de estas es diez veces mayor en frecuencia que la anterior. Las bandas de radio frecuencia se muestran a continuación.

Descripción
Abreviación
Frecuencia
Muy baja
VLF
3 a 3 kHz
Baja
LF
30 a 300 kHz
Media
MF
300 a 3000 kHz
Alta
HF
3 a 30 MHz
Muy Alta
VHF
30 a 300 MHz
Ultra Alta
UHF
300 a 3000 MHz
Súper Alta
SHF
3 a 30 GHz
Extremadamente Alta
EHF
30 a 300 GHz

ARMÓNICA
Cualquier frecuencia que es un múltiplo de otra frecuencia básica es conocida como armónica de esa frecuencia básica. La frecuencia básica es llamada primera armónica, o más comúnmente llamada frecuencia fundamental. Una frecuencia del doble de la frecuencia fundamental es llamada segunda armónica, una frecuencia que es el triple de la primera es llamada tercera armónica, y así sucesivamente. Por ejemplo:

Frecuencia fundamental
3000 kHz
Segunda armónica
6000 kHz
Tercera armónica
9000 kHz

Ocasionalmente los radio operadores encuentran señales siendo radiadas simultáneamente en dos frecuencias fundamentales y una de esas es armónica. Usualmente, la frecuencia armónica es una radiación no intencionada, lo cual resulta en un funcionamiento incorrecto del transmisor. También, el nivel de energía radiado de armónicas progresivamente va disminuyendo; por ejemplo, el nivel de energía de frecuencia fundamental es mayor que el segundo armónico, y así sucesivamente.

PERIODO
El periodo de una onda es simplemente la cantidad de tiempo que le toma para completar un ciclo de su frecuencia. Por ejemplo, la onda seno mostrada anteriormente, tiene una frecuencia de dos hertz; por esto, cada ciclo tiene una duración, o periodo, de medio segundo. Si la frecuencia es 10 hertz, el periodo de cada ciclo seria de un décimo de segundo. Debido a que la frecuencia de la onda de radio es el número de ciclos que están completados en un segundo, entre mas grande es la frecuencia, mas corto es el periodo.

LONGITUD DE ONDA
Una longitud de onda es el espacio ocupado por un ciclo completo de una onda de radio en un instante dado. Si por ejemplo, una onda se pudiera congelar en un lugar, y se midiera, su longitud de onda seria la distancia de un punto del ciclo, hasta el punto correspondiente al siguiente ciclo, como se muestra en la ilustración.

La longitud de las ondas varía desde unas centésimas de pulgada en frecuencias extremadamente grandes, hasta muchas millas de distancia con frecuencias muy bajas. Las longitudes de onda son expresadas en metros. Es necesario un correcto entendimiento de la relación que existe entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que esto es indispensable cuando se necesite escoger un tipo correcto de antena para una comunicación exitosa.

VELOCIDAD
La velocidad con que una onda de radio es radiada hacia el espacio por la antena transmisora es simplemente la velocidad por la cual la onda viaja. Las ondas de radio viajan en el vació a la velocidad de la luz: 186.000 millas por segundo (300.000.000 metros por segundo). Las ondas de radio viajan dentro de la atmósfera terrestre a una velocidad un poco menor, debido a varios factores como la presión barométrica, la humedad, contenido molecular, etc. Normalmente, se refiere a la velocidad de una onda como la velocidad que esta tiene en el vació.

La frecuencia de una onda de radio no esta relacionada con la velocidad de la onda. Una onda de 5 MHz viaja a través del espacio con la misma velocidad que una onda de 10 MHz. La velocidad de la onda es un factor importante para hacer conversiones desde longitud de onda hacia frecuencia.

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La onda radiada hacia el espacio por la antena transmisora es una forma de energía muy compleja, esta contiene campo magnético y eléctrico, por eso se denomina radiación electromagnética. Un campo eléctrico en movimiento siempre crea un campo magnético, y un campo magnético en movimiento, crea un campo eléctrico, son inseparables. Las líneas de fuerza de estos campos son perpendiculares entre ellos como se muestra en la grafica.

POLARIZACIÓN DE ONDA
La polarización de una onda de radio es obtenida por la dirección del campo eléctrico de la onda con respecto a la tierra. SI el campo eléctrico es vertical a la tierra, la onda esta polarizada verticalmente. Si el campo eléctrico es horizontal, la onda esta polarizada horizontalmente. LA posición de la antena transmisora determina cuando la onda estará polarizada horizontal o verticalmente.

La polarización de la onda con respecto a la tierra no influye en que las líneas de fuerza de los campos magnéticos y eléctricos siempre serán perpendiculares entre ellas.

La polarización del frente de onda es una consideración importante para la transmisión y recepción eficiente de señales de radio.

PRINCIPIOS BASICOS DE PROPAGACION DE ONDAS
En este tema sobre propagación de ondas principalmente trataremos sobre las propiedades y efectos del medio a través del cual la energía de radio frecuencia debe viajar, y hablaremos de su ruta desde la antena del transmisor, hasta la antena del receptor. Aunque las ondas de radio que viajan en el vació tienen poca influencia externa, la mayoría de ondas de radio con que usted tratara son aquellas que están dentro de la atmósfera terrestre. La influencia ejercida por la atmósfera terrestre le añade muchos factores nuevos y complica lo que a primera viste parece un problema relativamente simple. Estas complicaciones son principalmente debido a la falta de uniformidad en la atmósfera. Las condiciones atmosféricas pueden cambiar según la altura, la ubicación geográfica, e incluso según el momento (día, noche, año, etc.). Es necesario conocer la composición de la atmósfera para poder entender la propagación de las ondas RF.

La atmósfera terrestre esta dividida en 3 regiones, o capas: Troposfera, estratosfera, y la ionosfera.

TROPOSFERA
La troposfera es la porción de la atmósfera que se extiende desde la superficie de la tierra hasta una altura de 7 a 10 millas. La temperatura en esta región disminuye rápidamente con la altitud, se forman nubes, y existe mucha turbulencia debido a las variaciones de la temperatura, densidad, y presión. Los efectos que las condiciones de la troposfera da en las señales de RF son tales que las comunicaciones VLF y LF de largo alcance son muy exitosas.

ESTRATOSFERA
La estratosfera esta localizada sobre la troposfera y se extiende hasta 25 millas por encima de ella. La temperatura en esta región es considerada constante, y existe poco agua y vapor presente. Debido a que el ambiente en la estratosfera es constante, este tiene relativamente poco efecto en las ondas de radio.

IONOSFERA
La ionosfera se extiende arriba de las 25 millas, hasta una altura aproximadamente de 250 millas. Esta contiene cuatro capas de iones cargados eléctricamente, los cuales le permiten a las ondas de radio propagarse a largas distancias alrededor de la tierra. Esta es la región más importante de la atmósfera para reflejar ondas RF de vuelta a la tierra.

PROPAGACION ATMOSFERICA
Dentro de la atmósfera, las ondas de radio pueden ser reflejadas, refractadas, y difractadas de una manera similar a la luz y a las ondas de calor.

REFLEXIÓN
Las ondas de radio pueden ser reflejadas por varias sustancias u objetos encontrados durante el viaje entre el transmisor y el receptor. La cantidad de reflexión depende de la superficie reflectante. Las superficies lisas de metal que tienen buena conductividad eléctrica son eficientes reflectores de ondas RF. La superficie de la tierra por si misma, es un reflector suficientemente bueno, como se muestra en la grafica.

La onda de radio no es reflejada en un solo punto en el reflector, sino en un área de su superficie. El tamaño del área requerida para que el efecto de reflexión de lugar dependa en la longitud de onda de la RF y del ángulo en el cual la onda golpea la superficie reflectante.
REFRACCIÓN
Otro fenómeno común a la mayoría de las ondas de radio es la flexión de las ondas cuando se mueven de un medio a otro, en el cual la velocidad de propagación es diferente del primer medio. Por ejemplo, un carro viaja en un camino pavimentado a una velocidad constante, y de repente una llanta se sale del camino. El cambio del medio, de una superficie dura a una mas suave ha cambiado la velocidad del carro, y la tendencia del carro es la de cambiar direcciones.

Este mismo principio se aplica a las ondas de radio cuando ocurren cambios en los medios a través de los cuales ellas están pasando. Por ejemplo, la onda de radio mostrada en la ilustración esta viajando a través de la atmósfera a una velocidad constante. Cuando la onda entra un una capa de iones cargados eléctricamente, la parte de la onda que entra al nuevo medio viaja mas rápido que la parte que aun no ha entrado. Este incremento abrupto en la velocidad de la parte superior de la onda causa que esta se doble de vuelta hacia la tierra. Este cambio de dirección se denomina refracción y siempre esta dirigido a aquel medio cuya resistencia es menor.

DIFRACCIÓN
Una onda de radio que encuentra un obstáculo en su camino tiene una tendencia natural de desviarse alrededor del mismo. Este desvió, llamado difracción, resulta en un cambio de dirección de parte de la energía de la ruta normal de la onda. Este cambio hace posible recibir energía en algunos lugares que se encuentran bajo obstáculos. Aunque las ondas RF difractadas son débiles, estas pueden ser recibidas por un receptor bien capacitado. El principal efecto de la difracción es extender el alcance de comunicaciones radio más allá del horizonte visible.

CLASIFICACION ONDAS RADIOMAGNETICAS
Onda de tierra: en principio las ondas de radio se desplazan en línea recta, atravesando la mayoría de los objetos que estén en su camino con mayor o menor atenuación. Las pérdidas por dicha atenuación dependen de la frecuencia de la transmisión y de las características eléctricas de la tierra o el material atravesado. En términos generales a menor frecuencia mayor es el alcance de la onda y cuanta menor sea la densidad del material más fácil será atravesarlo. Parte de esta onda es reflejada por la superficie terrestre.

Onda visual o directa: es refractada en la baja atmósfera (retractación troposferica) debido a los cambios en la conductividad relativa en sus capas.

Onda espacial: la atenuación en el aire es muy pequeña, lo que hace que la onda pueda alcanzar las capas altas de la atmósfera (ionosfera) y ser reflejada en su mayor parte de vuelta a tierra.

RADIO COMUNICACION
La radio es una tecnología que posibilita la transmisión de señales mediante la modulación de ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden propagarse tanto a través del aire como del espacio vacío y no requieren un medio de transporte.
Una onda de radio se crea siempre y cuando un objeto cargado oscila con una frecuencia situada en la parte de radiofrecuencia (RF) del espectro electromagnético. Por contraste, otros tipos de emisiones que caen fuera de la gama de RF son: rayos gamma, rayos X, rayos cósmicos, rayos infrarrojos, rayos ultravioleta y luz visible.

Cuando una onda de radio atraviesa un hilo conductor, induce en el un movimiento de carga eléctrica (voltaje) que puede ser transformado en señales de audio o de otro tipo que transporten información. Aunque la palabra radio se usa para describir este fenómeno, las transmisiones que conocemos como televisión, radio, radar y telefonía móvil están todas incluidas en la clase de emisiones de radiofrecuencia.

No hay comentarios:

Publicar un comentario