Radiopropagación a frecuencias milimétricas

En la región de microondas y de ondas milimétricas, donde la frecuencia varía desde 1 GHz hasta 300 GHz, la ionosfera puede considerarse transparente a la propagación de las ondas electromagnéticas. Esto se debe a que el efecto del campo magnético terrestre sobre los electrones es despreciable para frecuencias por encima de 10 MHz, y la frecuencia del plasma que está directamente relacionada con el fenómeno de refracción/reflexión ionosférica también es mucho menor. La propagación de ondas en este rango de frecuencias se produce generalmente con visión directa entre las antenas. Los principales factores que afectan a la propagación de señales de radio en este rango de frecuencias se resumen a continuación.

LLuvia

Las ondas de radio que se propagan a través de una región de lluvia se atenúan como consecuencia de la absorción de potencia que se produce en un medio dieléctrico con pérdidas como es el agua. Adicionalmente, también se producen pérdidas sobre la onda transmitida debido a la dispersión de parte de la energía del haz que provocan las gotas de lluvia, aunque son menores.

Desde el punto de vista de un ingeniero de comunicaciones que va a diseñar un radioenlace, lo que se necesita es una fórmula sencilla para relacionar la atenuación específica con parámetros tales como la tasa de lluvia, la frecuencia o la temperatura. Afortunadamente esta fórmula existe, y es de la forma:

Atenuación específica (dB/km) = k·R^alfa,
donde R es la tasa de lluvia en mm/h, y k y alfa son constantes que dependen de la frecuencia y de la temperatura de la lluvia. La dependencia con la temperatura se debe a la variación de la constante dieléctrica del agua con la temperatura. Los valores exactos de las constantes k y alfa han sido obtenidos por Olsen, Rodgers y Hodge, quienes han establecido fórmulas empíricas para una temperatura de 0 ºC a partir de datos experimentales. Como es lógico, se observa que la atenuación crece con R y es mayor para frecuencias superiores. Dado que las longitudes de los tramos de visión directa suelen ser de 10 a 20 km, atenuaciones por lluvia del orden de 1 dB/km o superiores conducen a disminuciones apreciables en el nivel de señal. Para compensarlo es necesario aumentar la ganancia de las antenas o la potencia transmitida, lo cual resulta bastante costoso en el caso de incrementos de 20-30 dB.

Finalmente, conviene indicar que las pérdidas por lluvia son sensibles a la polarización de la señal transmitida, siendo algo mayores en el caso de polarización horizontal. Esto se debe a la forma adoptada por las gotas de lluvia al caer, e implica que en el caso de libertad en el diseño del sistema suela escogerse la polarización vertical. Algunos valores de las constantes k y alfa en función de la frecuencia y de la polarización se listan en la siguiente tabla:

Frecuencia (GHz)	k_H	k_V	alfa_H	alfa_V
1	0,0000387	0,0000352	0,912	0,880
2	0,000154	0,000138	0,963	0,923
4	0,000650	0,000591	1,121	1,075
8	0,00454	0,00395	1,327	1,310
10	0,0101	0,00887	1,276	1,264
12	0,0188	0,0168	1,217	1,200
15	0,0367	0,0335	1,154	1,128
20	0,0751	0,0691	1,099	1,065
30	0,187	0,167	1,021	1,000
40	0,350	0,310	0,939	0,929
60	0,707	0,642	0,826	0,824

Niebla

La atenuación por niebla de las microondas y de las ondas milimétricas está gobernada por las mismas ecuaciones que en el caso de la lluvia. La principal diferencia es que la niebla puede modelarse como un conjunto de gotas de agua muy pequeñas en suspensión con radios variables entre 0,01 y 0,05 mm. Para frecuencias por debajo de 300 GHz la atenuación producida por la niebla es linealmente proporcional al contenido total de agua por unidad de volumen para cada frecuencia. Una concentración de 0,032 g/m³ corresponde a un nivel de niebla que permite visibilidad a unos 700 m. Por otro lado, una concentración de 0,32 g/m³ permite visibilidad a algo más de 100 m. El nivel máximo de contenido de agua se sitúa en torno a 1 g/m³, con densidades considerablemente menores para la mayor parte de las nieblas. Para una frecuencia de 100 GHz, la atenuación en el caso de niebla densa es de tan sólo 1 dB/km. Por lo tanto, en el diseño de radioenlaces con suficiente margen de señal para evitar la atenuación por lluvia, la niebla no constituirá un factor de limitación.

Hielo y nieve

Cuando el agua se solidifica formando cristales de hielo o nieve se produce un cambio significativo en el valor de la constante dieléctrica compleja. En el caso del hielo, la parte real de la constante dieléctrica es prácticamente constante e igual a 3,17 para el rango de temperaturas de 0 ºC a -30 ºC en la banda de frecuencias microondas/milimétricas. La parte imaginaria, por otro lado, es muy pequeña y casi independiente de la frecuencia en dicha banda. Precisamente este reducido valor de la parte imaginaria de la constante dieléctrica indica que los cristales de hielo introducen poca atenuación. No obstante, la nieve y el granizo consisten en una combinación de cristales de hielo y agua en muchos casos, por lo que la atenuación es muy dependiente de las condiciones meteorológicas. Además, las formas de los cristales de hielo y de nieve son tan variadas que el cálculo de la absorción producida por una única partícula es una tarea muy complicada.

La atenuación de las microondas al atravesar nieve "seca" es al menos un orden de magnitud inferior que para la lluvia considerando la misma tasa de precipitación. No obstante, la atenuación para la nieve "húmeda" es comparable a la de la lluvia e incluso superior en la banda de frecuencias milimétricas. Medidas experimentales han mostrado valores de atenuación en torno a 2 dB/km para 35 GHz y una tasa de precipitación de 5 mm/h. Para nieve "seca" la atenuación es dos ordenes de magnitud inferior. Debido a la gran cantidad de variables involucradas, en particular el contenido de agua relativo, resulta difícil especificar la atenuación en función de la tasa de precipitación de una forma simple.

Gases atmosféricos

Los vapores de agua y de oxígeno no condensados poseen líneas de absorción en la banda de frecuencias de microondas y de ondas milimétricas. Por ello existen frecuencias donde se produce una gran atenuación separadas por ventanas de transmisión donde la atenuación es mucho menor. En el caso del vapor de agua, se producen fuertes líneas de absorción para longitudes de onda de 1,35 cm, 1,67 mm e inferiores. En el caso del oxígeno, las longitudes de onda de los picos de absorción son 0,5 y 0,25 cm. La atenuación debida al efecto conjunto de los vapores de agua y oxígeno es aditiva. Por ejemplo, para 0,5 cm la atenuación debida únicamente al oxígeno supera los 10 dB/km. En aquellas bandas donde los valores de atenuación exceden los 10 dB/km el alcance de las comunicaciones se encuentra enormemente limitado. Pero escogiendo adecuadamente las frecuencias de trabajo es posible obtener niveles de atenuación mucho menores: por ejemplo, a 30 GHz la atenuación es inferior a 0,1 dB/km. Para frecuencias por encima de 300 GHz, en cambio, la atenuación mínima es todavía elevada (6 dB/km o más) e impone una gran restricción en el caso de enlaces terrestres con visión directa. Sin embargo, determinadas aplicaciones especializadas tales como comunicaciones secretas de corto alcance (entornos "indoor" a 60 GHz) o enlaces entre satélites (no afecta la atenuación atmosférica) se aprovechan del uso de la banda de frecuencias milimétricas. Estas longitudes de onda cortas posibilitan el uso de antenas de alta ganancia muy compactas que compensan parte de las pérdidas introducidas.

Vegetación

Un factor importante de degradación en sistemas que operan a frecuencias milimétricas, como por ejemplo el servicio LMDS, lo constituye la vegetación (árboles, arbustos, etc.) existente en las inmediaciones del radioenlace. Estos sistemas se caracterizan por emplear enlaces cortos (2-6 km) con visión directa entre las antenas, pero en ciertas ocasiones el radioenlace puede verse accidentalmente obstruido por árboles o incluso techos de edificios en entornos urbanos. En esta situación, el campo electromagnético presente en la antena receptora puede modelarse como la suma de la onda proveniente directamente del transmisor, y multitud de pequeñas ondas dispersadas por los edificios adyacentes y por las hojas de los árboles cercanos. Dado que las fases de estas ondas son aleatorias, las señales resultantes pueden estimarse mediante análisis estadístico. El resultado final de sumar todas estas pequeñas contribuciones es un proceso Gaussiano cuya amplitud (potencia instantánea) sigue una distribución de Rayleigh. Si a continuación se añade la contribución del rayo directo, entonces la estadística de la amplitud de la señal se modela por medio de una distribución de Nakagami-Rice.

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» Fenómenos de propagación a frecuencias de microondas y de ondas milimétricas
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