Propagación de ondas electromagnéticas

Universidad Santa María

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Ingeniería de Telecomunicaciones

Propagación y Antenas

Propagación de ondas electromagnéticas

Profesor:                                                                                                             Alumnos:

MBA. Ing. Carlos Torres                                                                           Diego Pacheco

C.I:24.885.528

Yusneidy Márquez

C.I: 26.103.866

Caracas, julio del 2020

Propagación de ondas electromagnéticas

La propagación de las ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar radio propagación. La propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, y se puede considerar casi siempre así. La diferencia principal es que la atmósfera de la Tierra introduce pérdidas de la señal que no se encuentran en el vacío. Las TEM se propagan a través de cualquier material dieléctrico.

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas y, como la luz, se propagan a través del espacio libre en línea recta y con velocidad de 300,000,000 metros por segundo. Para propagar las ondas de radio por la atmósfera terrestre se necesita que la energía se irradie de la fuente.

Polarización electromagnética

Una onda electromagnética contiene un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí. La polarización de una onda electromagnética plana no es más que la orientación del vector de campo eléctrico con respecto a la superficie de la Tierra, es decir, respecto al horizonte. Si la polarización permanece constante se llama polarización lineal.

Si el campo eléctrico se propaga en dirección paralela a la superficie terrestre, la onda está polarizada horizontalmente. Si se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre, la onda está polarizada verticalmente. Si el vector de polarización gira 360° a medida que la onda recorre una longitud de onda por el espacio, y la intensidad de campo es igual en todos los ángulos de polarización, la onda tiene polarización circular. Cuando la intensidad de campo varía con cambios en la polarización, es una polarización elíptica. Una onda rotatoria puede girar en cualquier dirección. Si el vector gira en dirección de las manecillas del reloj, es derecho, y si gira en dirección contraria, es izquierdo.

Rayos y frentes de onda

Un rayo es una línea trazada a lo largo de la dirección de propagación de una onda electromagnética y se usan para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética.

Un frente de onda representa una superficie de ondas electromagnéticas de fase constante. Se forma un frente de onda cuando se unen puntos de igual fase en rayos que se propagan desde la misma fuente. Cuando una superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación. Cuanto más cerca está de su fuente, el frente de onda se vuelve más complicado. La mayoría de los frentes de onda son más complicados que los de una simple onda plana. Una fuente puntual es un solo lugar desde el cual se propagan rayos por igual en todas direcciones: es una fuente isotrópica. El frente de onda generado por una fuente puntual sólo es una esfera con radio R, y su centro está en el punto de origen de las ondas. En el espacio libre, y a una distancia suficiente de la fuente, los rayos dentro de una superficie pequeña de un frente de onda esférico son casi paralelos.

Radiación electromagnética

Densidad de potencia e intensidad de campo

La densidad de potencia es la rapidez con que la energía pasa a través de una superficie en el espacio libre y la intensidad de campo se refiere a la intensidad de los campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética que se propaga por el espacio libre. La densidad de potencia es:

[pic 1]

siendo    densidad de potencia (watts por metro cuadrado)[pic 2]

              intensidad rms del campo eléctrico (volts por metro)[pic 3]

     intensidad rms del campo magnético (amperes por metro)[pic 4]

Impedancia característica del espacio libre

Las intensidades del campo eléctrico y magnético de una onda electromagnética se relacionan a través de la impedancia característica. La impedancia característica de un medio de transmisión sin pérdidas es igual a la raíz cuadrada de la relación de su permeabilidad magnética entre su permitividad eléctrica. La ecuación de la impedancia característica del espacio libre, , es[pic 5]

[pic 6]

en la que       impedancia característica del espacio libre (ohms)[pic 7]

 permeabilidad magnética del espacio libre, 1.26  [pic 8][pic 9][pic 10]

 permitividad eléctrica del espacio libre, 8.85  [pic 11][pic 12][pic 13]

Al sustituir valores en la ecuación, se obtiene

[pic 14]

Por consiguiente, al aplicar la ley de Ohm se obtienen

[pic 15]

[pic 16]

Frente de onda esférico y la Ley del cuadrado inverso

Frente de onda esférico

Es una fuente puntual que irradia potencia a una tasa constante y uniformemente en todas direcciones. Esa fuente se llama radiador isotrópico. Un radiador isotrópico produce un frente de onda esférico cuyo radio es R. Todos los puntos que están a la distancia R de la fuente están en la superficie de una esfera, y tienen igual densidad de potencia.

En cualquier momento, la potencia irradiada, watts, está uniformemente distribuida sobre la superficie total de la esfera. Así, la densidad de potencia en cualquier punto de la esfera es la potencia total irradiada dividida entre el área total de la esfera. La ecuación que expresa la densidad de potencia en cualquier punto de la superficie de un frente de onda esférico es[pic 17]

[pic 18]

En donde          potencia total irradiada (watts)[pic 19]

 radio de la esfera[pic 20]

                    área de la esfera[pic 21]

y para una distancia  metros de la fuente, la densidad de potencia es[pic 22]

[pic 23]

Se igualan las ecuaciones para obtener

[pic 24]

Entonces, [pic 25][pic 26]

Ley del cuadrado inverso

Se ve, que cuanto más lejos va el frente de onda respecto a la fuente, la densidad de potencia es más pequeña: y se alejan entre sí. La potencia total distribuida en la superficie de la esfera queda igual. Sin embargo, como el área de la esfera aumenta en proporción directa a la distancia a la fuente elevada al cuadrado, la densidad de potencia es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente. A esta relación se le llama ley del cuadrado inverso. Entonces, la densidad de potencia en cualquier punto de la superficie de la esfera exterior es[pic 27][pic 28]

[pic 29]

y la densidad de potencia en cualquier punto de la esfera interior es

[pic 30]

Por consiguiente,  

[pic 31]

Según esta ecuación, a medida que se duplica la distancia a la fuente, la densidad de potencia decrece en un factor de . Cuando se dedujo la ley del cuadrado inverso de la radiación, sí es necesario que la velocidad de propagación en todas direcciones sea uniforme. A un medio de propagación con estas propiedades se le llama medio isotrópico.[pic 32]

Atenuación y Absorción de ondas

La atenuación es cuando las ondas se propagan por el espacio vacío, se dispersan y resulta una reducción de la densidad de potencia. Y se presenta tanto en el espacio libre como en la atmósfera terrestre. Ya que la atmósfera terrestre no es un vacío, contiene partículas que pueden absorber energía electromagnética. A este tipo de reducción de potencia se le llama pérdida por absorción, y no se presenta en ondas que viajan fuera de nuestra atmósfera.

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