Efecto de la ionosfera

Marconi consiguió realizar de forma satisfactoria la primera comunicación
radiotelegráfica transatlántica cubriendo una distancia de 3.000 km entre Gales y Terranova, en el
extremo oriental de Canadá.

En el mismo año 1902, Kennelly y Heaviside, de forma independiente, postularon la existencia
de una capa ionizada en la parte alta de la atmósfera como la responsable de la reflexión de las ondas
electromagnéticas, explicando de esta forma el mecanismo de propagación a grandes distancias.

El primer experimento para realizar mediciones directas de la ionosfera lo llevaron a cabo Appleton y Barnett en Londres, en 1925.

Consistía en emitir una señal de onda continua de fase variable con el tiempo.

En un receptor próximo se recibía la interferencia entre la onda directa y la
reflejada
reflejada.

Estudios posteriores relevaron la existencia de capas inferiores y superiores a la capa E , ala que manteniendo el orden alfabético se las denomino D y F respectivamente

Un plasma sometido a un campo magnético constante posee características anisótropas, de forma que la constante
dieléctrica no es un escalar sino un tensor.

En concreto la constante de propagación es distinta para una onda polarizada circularmente a derechas o a izquierdas.

El ángulo de rotación de la polarización depende
de la diferencia entre las dos constantes de propagación.

En las bandas de VHF y UHF puede tener valores
considerables que son impredecibles.

polarización circular en las comunicaciones tierra - satélite, ya que el empleo de polarización lineal tendría asociadas pérdidas por desacoplo fluctuantes, impredecibles y con valores potencialmente elevados.

a frecuencias superiores a 10 GHz, puede emplearse polarización lineal sin que exista una rotación apreciable en la polarización,

Las ondas electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la propagación en plasmas.

Un plasma es una región de espacio, con la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío, que contiene electrones libres.

Considérense en primer lugar las fuerzas a las que se encuentra sometido un electrón inmerso
en el campo electromagnético de una onda plana. Éste experimentará una fuerza debida al campo
eléctrico y otra al campo magnético dadas por

El efecto de la ionosfera es distinto para las diferentes bandas de frecuencias.

A frecuencias bajas y muy bajas (bandas de LF y VLF) la ionosfera supone un cambio brusco en términos de λ del
índice de refracción atmosférico.

la parte baja de la ionosfera forman una guía de ondas que favorece la propagación a grandes distancias en estas bandas de frecuencias (típicamente entre los 5.000 y 20.000 km).

A frecuencias más elevadas (MF y superiores) la onda penetra en la ionosfera.

A medida que la densidad de ionización aumenta, el
índice de refracción disminuye, produciéndose la refracción de la onda, o curvatura de la trayectoria, de forma análoga a la refracción atmosférica.

La propagación por reflexión ionosférica es importante en las bandas de MF y HF. Sin embargo,debe tenerse en cuenta que en la banda de MF, y especialmente a frecuencias inferiores a 1 MHz, la capa D presenta una atenuación elevada,

la capa D presenta una atenuación elevada, proporcional a la densidad de ionización, que imposibilita la refracción ionosférica en esta banda durante el día.

Para establecer una comunicación ionosférica es necesario conocer la frecuencia de resonancia y la altura virtual a la que se produce la reflexión.

La propagación por refracción ionosférica está muy condicionada por las características ionosféricas.

Cuando el efecto dominante en las pérdidas de propagación es únicamente uno de ellos las permiten estimar adecuadamente.

En la mayoría de las ocasiones no existe visibilidad directa entre los dos extremos del enlace: la estación base y el terminal móvil.

La intensidad de campo eléctrico y por tanto la densidad de potencia incidente en la antena receptora es el resultado
de la contribución de ondas reflejadas y difractadas en los edificios y obstáculos del entorno.

La modelización de la propagación debe abordarse a partir de modelos empíricos que permiten determinar el valor medio o esperado de las pérdidas de propagación.

Los modelos empíricos sólo proporcionan el valor medio o esperado de las pérdidas de propagación para un entorno genérico en función de la distancia entre la estación base y el terminal.

aún manteniendo la distancia a la estación base constante se observarán fluctuaciones en los niveles de señal en distintas ubicaciones del terminal móvil.

Dado que estas variaciones dependen de múltiples factores independientes, la resultante es una variación aleatoria de distribución gaussiana.

donde L50 es la atenuación mediana no excedida el 50 % del tiempo obtenida mediante un modelo
empírico.

Los modelos empíricos se basan en el ajuste de leyes de decaimiento de la potencia recibida en función
de la distancia, altura de antenas, frecuencia y tipología del entorno a datos medidos.

Los modelos empíricos distinguen entre zonas urbanas muy densas, zonas urbanas de baja densidad y zonas rurales.

Uno de los más empleados es el denominado Okumura-Hata, que se desarrolló a partir de medidas realizadas en Tokio.

Se pueden calcular para distancias R>1km como

El modelo Okumura-Hata predice una disminución del valor medio de la potencia recibida en
función de la distancia de la forma

Cuanto más alta se encuentra la antena de la estación base menor es el exponente que afecta a la distancia.

En una situación real de comunicaciones móviles el campo
incidente en la antena receptora es el resultado de la
superposición de múltiples contribuciones

En campos reflejados en edificios, campos difractados en las aristas o bordes de los edificios, componentes reflejadadas en el suelo, y componentes provenientes de múltiples reflexiones.

De hecho sólo que la diferencia de camino recorrido sea de media longitud de onda (17 cm a 900 MHz), una componente que contribuía constructivamente se convierte en destructiva.

distancia. En entornos urbanos densos en que es habitual que no exista visibilidad directa entre el terminal móvil y la estación base las fluctuaciones en la densidad de potencia incidente

Por tanto en la potencia recibida se caracterizan por una función de densidad de probabilidad Rayleigh.

Asimismo también es posible introducir diversidad en transmisión. También existen diversas formas de combinar la señal recibida por cada una de las ramas, desde el más simple
consistente en conmutar de rama cuando la relación señal a ruido es inferior a un cierto umbral

También se pueden realizar sistemas basados en la combinación dinámica de la señal recibida por cada rama de forma que se maximice en cada momento la relación señal a rudio