Lecture 5 analisis radioprop p3

Eo 0421 - RADIOCOMUNICACIONES

Conferencia 5: Análisis de Radiopropagación

Instructor: Israel M. Zamora, MBA, MSTMProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y

Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniería

I Sem 2015

Objetivos

Revisar los aspectos atmosféricos relacionados con la refracción a nivel de la tropósfera

Analizar el impacto de la refracción atmosférica en la propagación de ondas radioeléctricas

Estudiar el impacto en los modelos de radiopropagación y mecanismos de trabajo en radiofrecuencia bajo el efecto de la tropósfera y curvatura de la Tierra.

2I. Zamora Unidad II: Análisis de Radiopropagación

Contenido

• La tropósfera terrestre• Bandas troposféricas• Propagación encima de VHF• Efectos atmosféricos• Índice de refracción y refractividad• Refractividad en atmósfera normal o estándar• Efecto de la refracción en la propagación de ondas• Factor de radio efectivo.

• Curvatura de los rayos. • Curvatura respecto a Tierra.• Artificios para rayos rectilíneos en tierra curva


La Tropósfera terrestre


Refracción en la onda espacial


Tropósfera: Gases en la atmósfera (vapor de agua )

Constante dieléctrica r del aire > constante dieléctrica en espacio libre (=1).

hnr ,

n: Índice refracción de el aire

Bandas de propagación troposféricas

f Designación Onda

3-30KHz VLF 100-10 Km Ondas miriamétricas

30-300KHz LF 10-1 Km Ondas kilométricas

0.3-3MHZ MF 1-0.1 Km Ondas hectométricas

3-30MHz HF 100-10 m Ondas decamétricas

30-300MHz VHF 10-1 m Ondas métricas

0.3-3GHz UHF 1-0.1 m Ondas decimétricas

3-30GHz SHF 10-1 cm Ondas centimétricas

Pro

paga

ción

Ond

as

Tro

posf

éric

as

Ancho de banda aumenta


Efectos Atmosféricos: Tropósfera

Los efectos atmosféricos de interés para la propagación RF son precisamente la refracción/reflexión, difracción, dispersión (scattering) y la absorción o atenuación.

Con excepción de refracción, estos efectos son todos mínimos para frecuencias debajo de 30MHz.

Entre 30MHz y 1GHz, la refracción/reflexión es la preocupación principal. Encima, y alrededor de 1GHz, la atenuación comienza a ser un factor significativo

y la refracción/reflexión se vuelven menos problema excepto en trayectorias que pueden ser bastante horizontales.

Por encima de 10GHz los fenómenos hidrometeorológicos son manifiestos.

30MHz 1GHz 12GHz

Vapor y gases LluviaNubesNieblasNievePolvoRuidoDespolarización

RefracciónReflexiónDispersión

RefracciónReflexiónDifracciónDispersión

Vapor y gases LluviaNubesRuidoDespolarización


Efectos Atmosféricos: Tropósfera


ÍNDICE DE REFRACCIÓN

• La ITU-R P.369 define la llamada “atmósfera de referencia”, según la variación del índice de refracción n(h) que depende de la altura según la siguiente ley exponencial:

• h se introduce en Km

• Esta es la aproximación lineal para uso cerca de la superficie de Tierra. Se muestra que al nivel de la superficie el índice de refracción de una atmósfera estándar es 1.000289, lo cual parece insuficiente para causar alguna refracción, pero en realidad sí ocurre.

hehn 136.06103151)(

on


REFRACTIVIDAD

• “n” varía muy poco en el orden de 10-6 de la unidad, se suele mejor utilizar una variable proxy “N” denominada coíndice de refracción o simplemente refractividad, relacionada con “n” tal que:

6101 nN

25107326.36.77

T

e

T

pN

• Según la ITU-R P.453, N puede modelarse en función de p (mbar), Presión del vapor de agua e (mbar) y Temperatura absoluta T (oK) como:

T

ep

TN

48106.77Unidades N

6101 Nn


REFRACTIVIDAD

• Si utilizamos valores típicos en una atmósfera normal, (aunque esto depende del lugar geográfico en el planeta) obtendríamos:

• p=1000mb• e=10mb• T=290oK 312

290

1048101000

290

677

.

N Unidades N

• La recomendación ITU-R P.453 brinda los datos de abajo como una referencia, en condiciones normales en la superficie, con lo cual obtenemos:

• p=1013mb• e=10.2mb• T=290oK 316

290

2.1048101013

290

677

.

N Unidades N

000316.1n

000312.1n


REFRACTIVIDAD EN ATMÓSFERA ESTÁNDAR O NORMAL

• Aunque todos estas cantidades varían con la ubicación y altura, la variación dominante es vertical con respecto a la altura encima de la superficie terrestre, con el valor de N tendiendo hacia cero (esto es, el valor de n se acerca a 1) a medida que la altura aumenta.

• Las variaciones son aproximadamente exponenciales dentro de las primeras decenas de kilómetros de la troposfera, por ello, el valor de la refractividad atmosférica puede aproximarse a :

H

h

s

s

eNN

• De la recomendación ITU-R P.453 se establece valores estándares de referencia: Ns315, H=7.35Km

Donde hs es la altura encima del promedio del nivel del suelo, en Km. Un entorno con un a buena aproximación al comportamiento exponencial indicado anteriormente, se considera una atmósfera estándar.

De la cual se obtiene la refractividad N como:

sheN 136.0315

sN

shRefractividad en la superficie

Altura respecto el nivel del suelo

H Altura de referencia estándar



• Para alturas pequeñas ( 2Km), la atmósfera estándar en la ecuación anterior asemeja un comportamiento lineal (ver también diapositiva 17), como se muestra en la figura.

sheN 136.0315



• En estos casos, (alturas pequeñas 2Km) podemos hacer uso de una aproximación lineal a la ecuación exacta aprovechando su comportamiento (ver figura del lado).

• La expresión aproximada es:

H

hNN s

s 1

En el caso que hagamos uso de los valores indicados por la recomendación ITU-R P.453 (Ns315, H=7.35Km) tenemos:

shN 136.01315

H

hNN s

s 1

(Km)hs 20


Refracción de la onda espacial

A efecto de poder proporcionar datos de una forma normalizada, se utiliza el valor de la refractividad referido al nivel del mar, que se designa por No. En este caso se utiliza una altura ho medida con el nivel del mar.

ohos eNN 136.0

La recomendación ITU-R P.453, proporciona mapas mundiales de valores medios mensuales de No para ciertos meses del año.

H

heNN sh

oo 1136.0

Podemos expresar la refractividad de forma

compacta como:


Refracción en la onda espacialMonthly mean values of N0: February


Refracción en la onda espacial

• a) Determine el valor de la refractividad referido al nivel del mar para la zona de Nicaragua en el mes de agosto.

• b) También determine la refractividad a nivel del suelo nicaragüense. Asuma que la altura media de territorio nacional es de 0.5Km.

• c) Determine la refractividad a una altura de 1.3Km encima de la superficie terrestre nicaragüense.

Solución:a) En la Rec. ITU P.453, de la gráfica para el valor de No medio para el mes de agosto en Nicaragua es aproximadamente No=380, por tanto, podemos obtener el valor de refractividad referida al nivel del mar como:

b) Ahora encontramos la refractividad a nivel del suelo, con ho=0.5Km como:

02.355380 )5.0(136.0136.0 eeNN ohos

c) Finalmente la refractividad a 1.3Km sobre la superficie terrestre de Nicaragua se puede tener considerando H=7.35Km (Rec. ITU P.453) como:

23.29235.7

3.1102.3551

H

hNN s

s


Refracción en la onda espacialMonthly mean values of N0: August

380


0h

n

0h

n

oRh

n 1

oRh

n 1

oRh

n 1–

Curvatura de los rayos respecto a Tierra

• Puede demostrarse que la curvatura de un rayo electromagnético con relación a la curvatura de Tierra está dada por la diferencia de sus curvaturas:

orayTray CCC

oo R

C1

o

Tray Rh

nC

1

1. n/h0, curvatura es positiva, el rayo se curva hacia arriba.2. n/h=0, trayectoria de los rayos es rectilínea, no se curva.3. n/h0, curvatura es negativa, el rayo se curva hacia abajo.

)a n/h -1/Ro, Cray Co: Modelo de Rayo Plano)b n/h = -1/Ro, Cray = Co: Modelo Tierra Plana)c n/h -1/Ro, el rayo se curva rápidamente hacia tierra,

dando lugar a lo que se denomina ductos.

1

2

3

33

0h

n


• Se trata de estudiar conjuntamente el efecto de la curvatura de la superficie terrestre y el fenómeno de refracción en las comunicaciones terrestres a nivel de la tropósfera (radioenlaces de microondas).

• Deseamos modelar la propagación troposférica curva como una propagación de línea de vista rectilínea

R Ro Re

• El objetivo es determinar el radio equivalente de una Tierra ficticia suavizada que a su vez suavice la curvatura del haz propagado hasta el punto que sea rectilíneo.

Propagación curvaPropagación rectilínea

Artificio para rayos rectilíneos en Tierra Curva


Factor de radio efectivo: k

• Del análisis geométrico puede determinarse una Tierra ficticia con una curvatura que permita evitar trazar las trayectorias reales curvas y representarlas como trayectorias rectilíneas. Es decir, su curvatura que posibilita simular propagación rectilínea, forzando la siguiente condición:

• El valor del factor k depende entonces de las características de la atmósfera en cuanto a refracción, y debe evaluarse según el escenario estudiado. Como el radio de la Tierra es constante e igual a Ro=6,370Km aproximadamente, se puede reescribir que:

!!.!11

ctekRh

n

R oo

hn

Rk

o

1

1

6101

1

hN

Rk

o

6101

1

NR

ko

oe kRR

Nk

157

157

• Re: Radio equivalente de la Tierra ficticia

• k: Factor de radio efectivo


Factor de radio efectivo: k

0N

0N

39N

79N157N157N


Curvatura de los rayos respecto a Tierra

• Si k>1 el despejamiento y alcance aumentan,• 1<k<4/3 normal, k=4/3 estándar, superrefractivak>4/3

• Si 0<k<1 el despejamiento y alcance disminuyen• 0<k<1 subrrefractiva intensa, k<0 conductiva.

• Afecta también a los perfiles, si por ejemplo k>1

OK!!!


Ejemplo

SOLUCIÓN:Los valores dados en el enunciado del ejercicio se resumen como sigue:

KT

mbe

mbp

mh

mh

o

T

260

12

1100

900

50

T

ep

TN

48106.77sN

.N

57.394260

1248101100

260

677

La expresión de refractividad se obtiene aplicando la fórmula de abajo con los parámetros que da el enunciado:


Un enlace tiene una antena montada sobre una torre que se elevan a 50 m encima de una superficie, y a 900m por encima del nivel del mar. Considere que la presión atmosférica a nivel de la superficie es 1100mb, que la presión media de los vapores de la atmósfera es de 12mb y que la temperatura absoluta puede considerarse igual a 260 grados Kelvin. Asuma los parámetros adicionales que sean necesarios pero de forma congruente y lógica. ¿Cuál es el valor del factor de Tierra ficticia en este caso?

Ejemplo

H

hNN s

s 1

68.5335.7

57.394

H

N

h

NN s

52.168.53157

157

157

157

Nk

Para una altura menor de 2Km podemos aproximar el gradiente de refracción como:

Por tanto, el factor de tierra ficticia se obtiene de:


• Lectura Obligatoria• Transmisión por Radio

• Capítulo 3Secciones 3.6.1 a 3.6.3

• Lectura Recomendada

• Recomendaciones de UIT .


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