TYP -3 -1

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Efecto de la Ionosfera

• Descripción de la Ionosfera.
• Modelo de Plasma Simple.
• Influencia del Campo Magnético Terrestre.
• Refracción Ionosférica
• Ionogramas
• Modelos de Propagación Ionosférica.
• Cálculo de Enlace.

2
Descripción de la Ionosfera

• La ionosfera es la región de las capas altas de
  la atmósfera (60- 400 Km de altura) que debido a
  su ionización, refleja las señales
  radioeléctricas hasta unos 30 MHz.
• La ionización, presencia de electrones libres, se
  produce fundamentalmente por las radiaciones
  solares en las bandas de ultravioletas y rayos X.
  También contribuye a la misma otros fenómenos
  como los rayos cósmicos y los meteoritos.
• La densidad de electrones varía así según la hora
  del día y la estación del año. La radiación
  también varía siguiendo el ciclo de las manchas
  solares (?11 años).
• La densidad de electrones varía con la altura y
  presenta determinados máximos relativos, llamados
  capas, debido a que
• En las zonas más altas la densidad de átomos y
  moléculas es baja. La energía de radiación
  exterior es grande pero hay pocos átomos
  disponibles para ionizar.
• Al descender, las radiaciones ionizan los gases y
  su energía se absorbe gradualmente.
• En las zonas más bajas los electrones e iones
  desaparecen puesto que la recombinación predomina
  sobre la ionización al ser mayor la densidad de
  partículas.
• Por otra parte, a partir de los 100 Km de altura,
  la composición de la atmósfera varía ya que los
  gases se estratifican. Como cada gas (N2, O2, O,
  N) absorbe la radiación a partir de un cierto
  nivel energético, la densidad de ionización varía
  con la altura. presentando los distintos máximos
  locales (capas)

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Capas Ionósfericas
Densidad de electrones libres con la altura
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Características Generales de la Propagación
Ionosférica.

• Ionosfera es una capa con distintos grados de
  ionización y de densidad electrónica a través de
  la altura.
• Los máximos de la densidad de electrones
  corresponden con mínimos del índice de
  refracción.
• La variación del índice de refracción es negativa
  con la altura lo que hace que los rayos se curven
  hacia la tierra.
• El hecho de que se pueda llegar a producir una
  reflexión total posibilita que el rayo vuelva a
  la tierra y que puedan existir comunicaciones a
  larga distancia.

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Variación de la Presión y Concentración con la
Altura

• Expresión de la presión parcial de cada gas
• Ecuación de los gases perfectos
• Variación de la presión con la altura
• Haciendo uso de la relación entre presión y
  concentración y considerando que la altura de
  escala del gas es independiente de h, se puede
  poner la concentración a una altura h0
• Para una columna de altura h y sección unidad la
  concentración resulta

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
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Efecto de la Radiación Solar en la Ionosfera.

• Penetración de la radiación ionizante
• Intensidad de radiación en una columna de sección
  unidad y altura h
• Tasa de producción de iones
• Pérdida de partículas cargadas por recombinación
• Existe un equilibrio dinámico en donde hay una
  tasa de iones que desaparecen por unidad de
  tiempo y volumen.
• Se cumplen diversas leyes de recombinación
• La frecuencia crítica es proporcional a la raíz
  de la máxima concentración de iones
• Las capas interiores se ven menos afectadas por
  la radiación solar por el efecto del
  apantallamiento de las superiores.

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Modelo de Plasma Simple

• La propagación de las ondas electromagnéticas en
  la ionosfera se modela como la propagación en un
  plasma simple y frío
• Región del vacío (?0 y ?0 ) que contiene
  electrones libres en la que se puede despreciar
  el movimiento térmico de los electrones.
• En un plasma con ? colisiones electrón-partículas
  (átomos, moléculas, iones, etc) por segundo, la
  velocidad de un electrón sometido a las fuerzas
  del campo electromagnético de una onda plana y
  del campo magnético estático terrestre H0 vale

Despreciando de momento el efecto de H0
La amplitud compleja de la velocidad del electrón
vale
Con E variando sinusoidalmente
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Modelo de Plasma Simple

• La corriente electrónica equivalente en el plasma
  de densidad N electrones/m3 es
• En definitiva el plasma presenta una permitividad
  ?eq y una conductividad ?eq
• Para frecuencias tales que ?/??eqltlt1 (plasma de
  bajas pérdidas) la onda se propaga con una
  constante de fase ? y una constante de atenuación
  ?

HF
(2)
(1)
9
Aplicación a la Ionosfera Atenuación de la Capa D
(h?80 Km, Ndía?109 /m3 , Nnoche?107 /m3??106/s)
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Consideraciones

• Dependencia con la frecuencia
• A la frecuencia crítica del plasma hay reflexión
  para cualquier ángulo de incidencia ya que N
  llega a ser tan alto como para hacer n0.
• A frecuencias mayores depende del ángulo de
  incidencia.
• Para la misma frecuencia rayos más rasantes se
  reflejan más abajo.
• Para un mismo ángulo de incidencia las
  frecuencias mayores se reflejan más arriba
• A frecuencias superiores a la crítica hay un
  margen de distancias para las que no llega ningún
  rayo. Esa distancia es la llamada distancia de
  salto.
• Para un punto fijo hay una frecuencia que le hace
  estar a la distancia de salto. Se denomina máxima
  frecuencia utilizable, MUF.

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Refracción Ionosférica. Frecuencias Críticas

• El índice de refracción disminuye con la altura
  h
• Considerando un medio estratificado en planos
  paralelos un rayo incidente procedente de Tierra
  se curva hacia ésta de acuerdo con la Ley de
  Snell
• Se alcanza una trayectoria horizontal (retorno a
  Tierra) cuando ?i90º
• En el caso de una incidencia vertical ?00º
• de modo que existirá una reflexión total
  dentro de cada capa para aquellas frecuencias que
  sean inferiores, en orden creciente, a las
  frecuencias críticas de cada una

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Refracción Ionosférica.Máxima Frecuencia
Utilizable MUF

• Cuando la incidencia no es vertical la frecuencia
  máxima que retorna de cada capa i depende del
  ángulo de incidencia ?0 ley de la secante
• Como el máximo ángulo de incidencia en la
  ionosfera (?0max) se obtiene para una elevación
  ?0º en Tierra (A), la frecuencia más elevada que
  retorna a Tierra, corresponde a la capa F2, y
  vale aproximadamente

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Ionogramas

• Para incidencia vertical se define la ALTURA
  VIRTUAL (hv) como
• La del punto ideal en que se produciría la
  reflexión para el mismo tiempo de propagación, si
  la velocidad fuese constante e igual a la de la
  luz en el vacío
• Se mide utilizando radares pulsados (sondas
  radioeléctricas) de frecuencia (f) variable, que
  miden el tiempo de propagación (?), de ida y
  vuelta, de emisiones verticales.
• Un IONOGRAMA representa la variación de la altura
  virtual con la frecuencia.
• Los desdoblamientos (aparición del rayo
  extraordinario X) son causados por la anisotropía
  que imprime el campo magnético terrestre a la
  ionosfera.

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Curvas de Transmisión

• Lugar geométrico de los puntos (hv, fv) que
  satisfacen la geometría y la ley de la secante
  para una frecuencia oblicua y distancia
  determinada.
• Para una d fija tomando f como parámetro se
  obtienen las curvas de transmisión intersecando
  con el ionograma (hv, fv) correspondiente.
• Se observa
• Hay una frecuencia para la que se produce
  tangencia entre las curvas MUF o JF.
• Para f oblicua gt MUF la curva es secante a (hv,
  fv). Esto supone que hay dos caminos, separados
  pocos grados, para alcanzar esa distancia rayo
  superior y rayo inferior.
• El rayo superior se atenúa más por tener mayor
  recorrido y atenuación específica.
• Características de atenuación
• Depende de la concentración y de la frecuencia de
  colisiones alcanza un máximo en la zona inferior
  de la capa E y cerca de la altura de reflexión.
• Disminuye al aumentar la frecuencia.

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Modelo de Propagación Ionosférica para Tierra
Plana.

• Ley de la Secante
• La altura virtual hv de una emisión a frecuencia
  f y ángulo de incidencia ?0 es la misma que le
  corresponde a la frecuencia fv en incidencia
  vertical, si se cumple
• Máxima Frecuencia Utilizable (MUF)
• Factor de Máxima Frecuencia Utilizable (MUFF)
• Frecuencia óptima de trabajo (OWF) decilo
  inferior de los valores de la MUF de explotación

Límite del Modelo
Altura virtual hv PE
Altura real PBz0h
Modelo de Tierra Plana
Alcance dTR
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Influencia del Campo Magnético TerrestreRotación
de Faraday

• La influencia del campo magnético terrestre
  depende de la orientación de E respecto de H0.
  (Vease transparencia TYP-3-7). Sin excesivo
  detalle
• Si la onda se propaga perpendicular a H0 y E está
  polarizado también según H0 el término evx?0H0 0
  , no se produce efecto alguno.
• En cualquier otra caso la presencia del campo
  magnético imprime un movimiento de rotación a los
  electrones.
• Para el caso en que la propagación sea a lo largo
  de H0 el movimiento circular es de radio r, con
  una velocidad de
• v?Hr2?fHr, siendo fH la frecuencia de rotación
  o frecuencia giromagnética que se puede obtener
  igualando
• fH varía entre 0,7 y 1,9 MHz según el punto de la
  Tierra.
• Cuando se tiene en cuenta este efecto giratorio
  de los electrones, la constante dieléctrica
  compleja ?c, toma dos posibles valores, teniendo
  por lo tanto carácter tensorial

(1)
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Predicción de las MUF (I, parámetros geográficos)

• Datos necesarios para la predicción de las MUF
• Datos geográficos de los terminales longitud
  (W-, E) y latitud (N, S-).
• Datos de efemérideshora, día y mes del año de la
  predicción.
• Datos de actividad solar media móvil de manchas
  solares para la predicción.
• Parámetros geográficos del circuito
• Arco de círculo máximo
• Longitud del circuito
• Acimut del trayecto
• Puntos de control
• Propagación por capa E
• dlt2000 km, un solo punto en el medio.
• dgt2000 km, dos puntos situados a 1000 km de TX y
  RX.
• Propagación por capa F2
• Determinación de dmáx (4000 km) y número de
  saltos
• Determinación de los puntos de control

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Predicción de las MUF (II, parámetros de
efemérides)

• Parámetros de efemérides

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Cálculo del EnlaceCamino de Propagación y
Ángulo de Emisión.
Pérdidas del Enlace
Angulo de Emisión ?
Camino de Propagación TER

• Gt y Gr ganancias de las antenas
• Ls pérdidas de espacio libre20log(?/4?TER)
• Li pérdidas de la ionosfera

hv?Altura media ionograma para la capa
considerada (E 110 Km, F1225 Km, F2325 Km
F300 Km)
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Radiodifusión de Onda Corta Zona de Sombra

• Para radiodifusión a distancias medias se
  utilizan frecuencias inferiores a la frecuencia
  crítica de la capa F2 asegurando el retorno sobre
  toda la zona de cobertura.
• Para conseguir cobertura a gran distancia es
  necesario utilizar frecuencias más altas que las
  anteriores, próximas a la MUFF2. En este caso
  aparece una zona de sombra, sin señal, entorno al
  transmisor.
• El límite de la zona de sombra se obtiene a
  partir de la hv de la capa F2 y del ángulo ?0min
  , obtenido a su vez de