TYP - 2 - 1

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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.

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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

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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

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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
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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

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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
?
nn(?). Estratificación esférica
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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 gt0.
• 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.

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Resumen de las Características de la Troposfera

• Tipos de Atmósfera

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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.

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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 netovariación 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.

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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
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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.

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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

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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.

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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.

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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)